technika prostředí - Odbor termomechaniky a techniky prostředí

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ
FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ
ODBOR TERMOMECHANIKY A TECHNIKY PROSTŘEDÍ EÚ
TECHNIKA PROSTŘEDÍ
Doc. Ing. Eva Janotková, CSc.
BRNO 2008
OBSAH
2
1.
ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ
4
1.1 Definice a struktura životního prostředí
4
1.2 Vnitřní prostředí a pohoda prostředí
4
TEPELNÁ POHODA A JEJÍ HODNOCENÍ
5
2.1 Tepelná pohoda prostředí
5
2.2 Hodnocení tepelného stavu prostředí
8
ČISTOTA VZDUCHU A ÚČINKY ŠKODLIVIN NA ČLOVĚKA
9
3.1 Čistota vzduchu v místnostech
9
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
3.2 Hygienické limity látek v ovzduší
10
3.3 Účinek škodlivin na lidský organismus
10
VĚTRÁNÍ A PROUDĚNÍ VZDUCHU
11
4.1 Rozdělení větrání
11
4.2 Výpočet výměny vzduchu při větrání
12
4.3 Proudění vzduchu ve větraném prostoru
12
OBRAZY PROUDĚNÍ. PŘIROZENÉ VĚTRÁNÍ
14
5.1 Obrazy proudění ve větraném prostoru
14
5.2 Provedení vyústek
15
5.3 Větrání s přirozeným oběhem vzduchu
17
NUCENÉ VĚTRÁNÍ CELKOVÉ A MÍSTNÍ
19
6.1 Nucené větrání celkové
19
6.2 Místní odsávání
20
6.3 Místní přívod vzduchu
21
KLIMATIZAČNÍ ZAŘÍZENÍ
23
7.1 Klimatizační zařízení a jejich komponenty
23
7.2 Výpočet pračky vzduchu
26
KLIMATIZAČNÍ SYSTÉMY
27
8.1 Vzduchové systémy
27
8.2 Systémy kombinované
28
8.3 Systémy vodní
29
8.4 Chladivové systémy
29
DIMENZOVÁNÍ KLIMATIZAČNÍCH ZAŘÍZENÍ
31
2
10. SYSTÉMY VYTÁPĚNÍ. TEPLOVODNÍ VYTÁPĚNÍ
35
10.1 Přehled používaných systémů vytápění
35
10.2 Teplovodní vytápění
35
10.2.1 Teplovodní vytápění s přirozeným oběhem vody
35
10.2.2 Teplovodní vytápění s nuceným oběhem vody
36
10.2.3 Otopná tělesa
38
11. VYTÁPĚNÍ TEPLOVODNÍ VELKOPLOŠNÉ, HORKOVODNÍ A PARNÍ
39
11.1 Velkoplošné teplovodní vytápění
39
11.2 Horkovodní vytápění
41
11.3 Vytápění parní
41
11.4 Výpočet tepelných ztrát při ústředním vytápění
42
12. VYTÁPĚNÍ TEPLOVZDUŠNÉ A SÁLAVÉ
42
12.1 Vytápění teplovzdušné
42
12.2 Sálavé vytápění velkoprostorových místností
43
12.2.1 Vytápění zavěšenými sálavými panely
43
12.2.2 Vytápění přímotopnými plynovými zářiči
44
13. HLUK
46
13.1 Hluk a vibrace a jejich hodnocení
46
13.2 Fyziologické účinky hluku
48
13.3 Zdroje a šíření hluku
48
13.4 Prostředky ke snižování hluku
48
LITERATURA
50
3
1. ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ
1.1. Definice a struktura životního prostředí
Pod pojmem „životní prostředí“ většinou chápeme životní prostředí člověka, pro které se
v praxi používá následující definice: „Životní prostředí člověka se rozumí ta část světa, s níž
člověk přichází do styku, kterou přetváří a využívá pro uspokojování svých potřeb. Pozornost
se soustřeďuje především na hmotnou část prostředí, která je dána prostorem, kde člověk
bydlí, pracuje a odpočívá.“
Uvedená definice chápe prostředí i člověka jako jediný neoddělitelný celek, neboť člověk
svého prostředí nejen používá a ovlivňuje je, ale také se mu přizpůsobuje. Vztah mezi
člověkem a prostředím je tedy aktivní, nemohou pouze existovat vedle sebe, ale jsou na sobě
závislí, a to daleko více, než si člověk je ochoten přiznat.
Životní prostředí člověka lze rozdělit podle různých hledisek. Podle umístění se používá
členění na prostředí vnější a prostředí vnitřní.
- Vnější prostředí je životní prostředí vně staveb.
- Vnitřní prostředí je životní prostředí ve stavbách, tj. v interiéru budov.
Ve vnějším prostředí jsou hlavními problémy znečištění vzduchu, vody a půdy,
znečišťování oblasti živých organismů, eroze půdy, změny obsahu minerálních látek v půdě
aj. K znečišťování vnějšího prostředí dochází odpady z různých výrobních i nevýrobních
činností poněvadž tyto končí buď ve vzduchu, ve vodě, nebo v půdě a dostávají se tak do
koloběhu látek v přírodě a také do lidského těla.
Ve vnitřním prostředí budov, ve kterém tráví člověk 70 až 80 % svého života, hlavními
problémy jsou čistota ovzduší, zajištění tepelného stavu prostředí, ochrana proti hluku,
vhodné osvětlení, ochrana před ionizujícím a elekromagnetickým zářením a další.
Vztahy bezprostřední interakce mezi člověkem a jeho životním prostředím se realizují
především lidskou činností. Z tohoto hlediska je účelné členit životní prostředí podle činnosti
člověka. Jedná se o tzv. funkční vymezení životního prostředí na:
- pracovní prostředí, tj. životní prostředí určené nebo využívané pro práci (např. výrobní a
administrativní budovy, kabiny dopravních zařízení, řídící kabiny, polokrytá a otevřená
pracoviště),
- obytné prostředí, tj. životní prostředí určené nebo využívané pro bydlení včetně
krátkodobé rekreace,
- rekreační prostředí, tj. životní prostředí určené nebo využívané pro rekreaci,
- další druhy prostředí – podle jiných činností, např. léčebné, výchovné, společenskokulturní a pod.
V jednotlivých konkrétních prostředích zkoumáme především ty vlastnosti určitých složek
životního prostředí, které působí na člověka. U ovzduší je to např. jeho čistota, teplota,
vlhkost, proudění atd. Takové vlastnosti složek životního prostředí označujeme jako faktory
prostředí. Analýza faktorů prostředí je základem zjišťování a hodnocení stavu a úrovně
životního prostředí i základem cílevědomé péče o životní prostředí.
1.2. Vnitřní prostředí a pohoda prostředí
Důležitou součástí životního prostředí je tedy prostředí vnitřní, zejména pak prostředí
pracovní. Kvalita vnitřního prostředí (mikroklimatu) se hodnotí podle stavu činitelů prostředí.
Hlavní mikroklimatické činitele (faktory) jsou:
4
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
8)
9)
10)
11)
12)
13)
14)
15)
16)
17)
čistota okolního vzduchu,
teplota vzduchu,
teplota povrchu stěn a předmětů,
rychlost proudění vzduchu,
vlhkost vzduchu,
oděv,
intenzita osvětlení,
hluk, vibrace a ultrazvuk,
koncentrace iontů ve vzduchu,
intenzita elektrických a magnetických polí,
intenzita ionizujícího záření,
prostorové, dispoziční a estetické řešení prostředí,
tělesná konstituce člověka,
činnost člověka,
schopnost aklimatizace,
klima, rasové zvláštnosti a návyky lidí,
další vlivy jako tlak vzduchu, psychické stavy atd.
Optimální stav vnitřního prostředí je takový stav, který vytváří člověku podmínky pro
zdravý pobyt a tvořivou práci. Takový optimální stav prostředí se nazývá pohoda prostředí.
Pohodu prostředí člověk cítí komplexně, přesto se rozlišuje pohoda celková a pohoda dílčí,
kdy předmětem zájmu je pouze některý, nebo některé z činitelů celkové pohody – tj. pak
podle jednotlivých činitelů pohoda prostředí toxická, aerosolová, mikrobiální, odérová,
tepelná, světelná, akustická, ionizační, elektrostatická, elektrointová, psychická aj.
Některé z výše uvedených činitelů (1 až 11) se dají upravit technickými opatřeními, k nimž
patří:
- zařízení na úpravu tepelného a vlhkostního mikroklimatu a čistoty vzduchu, tj. zařízení
větrací, klimatizační, vytápěcí, odsávací a odlučovací,
- opatření na ochranu proti hluku a vibracím,
- zařízení osvětlovací,
- zařízení na úpravu iontového složení vzduchu,
- opatření na ochranu proti ionizujícímu a neionizujícímu záření aj.
Činitele 2 až 6, 13 a 14 se navzájem ovlivňují a jejich vhodné hodnoty vytváří stav, který
se nazývá tepelná pohoda prostředí.
2. TEPELNÁ POHODA A JEJÍ HODNOCENÍ
2.1 Tepelná pohoda prostředí
Tepelná pohoda prostředí se obvykle definuje jako pocit spokojenosti člověka s tepelným
stavem prostředí. Při látkových přeměnách probíhajících v lidském těle se uvolňuje tepelná
energie – metabolické teplo, která se přenáší do okolí. Množství uvolňované energie závisí
především na intenzitě fysické činnosti a na hmotnosti člověka. Jen malá část této energie se
přenáší formou mechanické práce konané člověkem, zatímco většina se přenáší formou tepla
(90 až 100 %).
Vnitřní tělesná teplota zdravého člověka musí být asi 36,5 ± 0,5 °C, a proto musí být teplo
uvolňované v těle přenášeno do okolí. K přenosu tepla do okolí dochází vedením, konvekcí,
radiací, vypařováním, dýcháním a velikost přenosu tepla ovlivňuje termoregulační centrum
těla. Uplatňuje se termoregulace chemická, vázomotorická a vypařovací.
5
První podmínkou tepelné pohody je, aby energie produkovaná v těle zmenšená o energii
přenášenou formou mechanické práce konané člověkem byla rovna energii odvedené formou
tepla do okolí vedením, konvekcí, radiací, vypařováním, dýcháním. Tepelnou rovnováhu lze
vyjádřit rovnicí
Q& m ( 1 − η ) = Q& ved + Q& k + Q& r + Q& v + Q& d [W],
(2.1)
kde
Q& m je metabolický tepelný tok, Q& m = q& m S [W], který závisí na činnosti člověka, q& m je
hustota metabolického tepelného toku [W.m-2],
S je plocha povrchu těla [m2],
η je mechanická účinnost lidského těla,
Q& ved , Q& k , Q& r , Q& v , Q& d jsou tepelné toky přenášené z lidského těla do okolí vedením, konvekcí,
radiací, vypařováním a dýcháním [W].
Za normálních okolností je tepelný tok přenášený vedením jen velmi malou položkou v
tepelné bilanci člověka, a proto jej lze zanedbat a také mechanická účinnost člověka je velmi
malá.
Tepelný tok přenášený z vnějšího povrchu oblečeného člověka do okolního vzduchu
konvekcí je dán vztahem
Q& k = α S k ( t p − t ) [W],
(2.2)
kde
α - je součinitel přestupu tepla konvekcí [W.m-2K-1],
tp - je střední teplota vnějšího povrchu oděvu,
t - je teplota okolního vzduchu,
Sk = fcl S – povrch oblečeného člověka, S - povrch lidského těla (S = 1,9 m2 pro průměrného
dospělého muže, S = 1,75 m2 pro ženu), fcl - poměr povrchu oblečeného člověka k povrchu
lidského těla – závisí na druhu oděvu.
Tepelný tok přenášený mezi povrchem těla a okolními plochami radiací je dán rovnicí
Q& r = ε σ o S r ( T p4 − Tr4 ) [W],
(2.3)
kde
ε - je poměrná zářivost mezi povrchem těla a okolními plochami, pro pokožku a většinu
tkanin má hodnotu ε = 0,95;
σo - Stefanova –Boltzmanova konstanta, σo = 5,67 W.m-2 K-4;
Sr - povrch lidského těla přenášející teplo radiací, který je menší než povrch oblečeného
člověka, Sr ≈ 0,71 Sk;
Tr - střední radiační teplota [K].
Tepelný tok přenášený vypařováním je roven součtu tepelného toku odváděného tzv.
suchým pocením Q& vs a tepelného toku odváděného tzv. mokrým pocením Q& vm
Q& v = Q& vs + Q& vm .
(2.4)
Tepelný tok odváděný suchým pocením je dán vztahem
6
Q& vs = 3,05 . 10 −3 S ( p ′p′( tk ) − p p( t ) ) [W],
(2.5)
kde
S je plocha povrchu těla [m2],
p ′p′( tk ) [Pa] – parciální tlak sytých vodních par při teplotě pokožky tk,
pp(t) [Pa] - parciální tlak vodních par v okolním vzduchu závislý na teplotě okolního vzduchu t
a relativní vlhkosti okolního vzduchu ϕ.
Tepelný tok odváděný z povrchu těla mokrým pocením Q& vm je významným nástrojem
termoregulace a jeho hodnota se řídí podle potřeby, jak je to nutné k udržení stálé teploty
lidského těla.
Vydechovaný vzduch, jehož množství závisí na intenzitě fyzické činnosti, se v plicích
zahřeje na teplotu 34 až 36 °C a současně se nasytí vodní parou. Tepelný tok odváděný
dýcháním můžeme vyjádřit vztahem
Q& d = m& c p ( t v − t ) + m& l 23 ( x ′′ − x ) [W],
(2.6)
kde
m& vzd [kg.s-1] je hmotnostní tok vzduchu plícemi,
cp – měrná tepelná kapacita vzduchu za konstantního tlaku (cp = 1,01 kJ.kg-1K-1),
tv – teplota vydechovaného vzduchu (tv ≈ 34 °C),
l23 – měrné výparné teplo vody (l23 = 2560 kJ.kg-1),
x”, x [kg/kg s. v.] – měrná vlhkost vydechovaného (vlhkostí nasyceného vzduchu) a okolního
vdechovaného vzduchu.
Tepelný tok přenášený konvekcí a radiací z povrchu oblečeného člověka prostupuje
oděvem, což vyjadřuje rovnice
Q& k + Q& r = S (t k − t p ) / Rcl ,
(2.7)
kde
Rcl [m2K.W-1] je tepelný odpor oděvu. Pro tepelný odpor oděvu se používá také bezrozměrná
veličina Icl definovaná Icl = Rcl/0,155, pro níž se zavedlo jednotkové označení clo.
První podmínkou pro dosažení tepelné pohody je, aby byla splněna rovnice tepelné
rovnováhy (1.1). Při stavu tepelné pohody však musí být tepelné rovnováhy dosaženo při
minimálních zásazích tělesné regulace. Pro stav tepelné pohody jsou proto střední teplota
pokožky a tepelný tok mokrým pocením definovány v závislosti na činnosti člověka vztahy
a
tk = 35,7 – 0,0275 q& m [°C]
(2.8)
Q& vm = 0,42 S (q& m − 58) [W].
(2.9)
Tyto vztahy se pokládají za druhou a třetí podmínku stavu tepelné pohody.
Řešením rovnic (2.1) až (2.9) dostaneme rovnici tepelné pohody vyjádřenou funkční
závislostí
Q& m = f ( Rcl , f cl , t , w, t r , ϕ ) .
(2.10)
7
Rovnice tepelné pohody vyjadřuje vzájemné vztahy mezi hlavními činiteli tepelné pohody.
Tyto činitele charakterizují:
- Q& m
- Rcl, fcl
- t, w, tr, ϕ
činnost člověka,
vlastnosti oděvu,
tepelný stav prostředí.
2.2 Hodnocení tepelného stavu prostředí
Vzhledem k tomu, že tepelná pohoda prostředí závisí na řadě činitelů, pro zjednodušení
hodnocení tepelného stavu prostředí se používají odvozené veličiny zahrnující společný
účinek několika nebo všech činitelů určujících tepelný stav prostředí, k nimž patří např.
operativní teplota. Výpočet operativní teploty z měřených veličin určujících tepelný stav
prostředí a přípustné hodnoty operativní teploty pro pracovní prostředí v závislosti na
vykonávané činnosti (třídě práce, nebo energetickém výdaji) a použitém oděvu (tepelném
odporu oděvu) jsou uvedeny v Nařízeních vlády [12] a [13].
Operativní teplota to (°C) je zde definována jako jednotná teplota uzavřeného černého
prostoru, ve kterém by tělo sdílelo radiací a konvekcí stejně tepla, jako ve skutečném teplotně
nehomogenním prostředí. Při známé střední radiační teplotě tr (°C) a teplotě vzduchu t (°C) se
určí z výrazu
t o = t r + A (t − t r ) ,
(2.11)
kde A je funkcí rychlostí proudění vzduchu podle tabulky uvedené v [13].
Při rychlostech proudění vzduchu menších než 0,2 m.s-1 lze nahradit operativní teplotu
výslednou teplotou kulového teploměru tg (°C). Při jiných rychlostech proudění w (m.s-1) lze
střední radiační teplotu stanovit ze vztahu
[
]
t r = (t g + 273) + 2,9 . 10 8 . w 0,6 (t g − t )
4
0 , 25
− 273 ,
(2.12)
kde tg je výsledná teplota kulového teploměru o průměru 0,10 m,
nebo ze vztahu
[
]
t r = (t g + 273) + 2,9 . 10 8 . w 0,6 (t g − t )
4
0 , 25
− 273 ,
(2.13)
kde tg je výsledná teplota kulového teploměru o průměru 0,15 m.
Pro hodnocení tepelné pohody prostředí se také používá norma ČSN ISO 7730 [7], která
hodnotí tepelný stav prostředí pomocí ukazatelů PMV a PPD.
Ukazatel PMV předpovídá střední tepelný pocit podle sedmistupňové stupnice
+3
+2
+1
0
-1
-2
-3
horko,
teplo,
mírně teplo,
neutrálně,
mírně chladno,
chladno,
zima.
8
Ukazatel PMV je možné vypočíst z energetického výdaje, tepelného odporu použitého oděvu,
teploty vzduchu, střední radiační teploty, vlhkosti a rychlosti proudění vzduchu dle rovnic
uvedených v [7].
Ukazatel PPD předpovídá procentuální podíl osob, které budou nespokojeny s tepelnými
podmínkami prostředí (5% nespokojených – tepelná pohoda, 10% – přípustné podmínky, 20%
– přijatelné podmínky). Je – li známa hodnota PMV, je možné PPD odečíst z obrázku nebo
vypočítat z rovnice uvedené v [7].
Citovaná norma také vyjadřuje stupeň obtěžování průvanem DR, tj. procentuální podíl lidí,
kteří jsou nespokojení v důsledku průvanu. Je možné ho vypočítat z místní teploty a rychlosti
vzduchu a z místní intenzity turbulence.
3. ČISTOTA VZDUCHU A ÚČINKY ŠKODLIVIN NA ČLOVĚKA
3.1 Čistota vzduchu v místnostech
Vzduch v místnostech může být znečišťován plynnými škodlivinami, různými zápachy,
prachem, choroboplodnými zárodky, ale také nadměrným teplem sálavým i konvekčním.
Plyny a páry unikající z výrobních zařízení tvoří velkou skupinu průmyslových škodlivin.
K odstraňování plynných škodlivin je nejvýhodnější odsávání přímo v místě jejich vzniku. I
v tomto případě musíme však počítat s jistým únikem škodlivin do pracovního prostředí a
celkovým větráním pak musíme udržovat jejich koncentrace pod nejvyšší přípustnou
hodnotou.
V místech kde pobývají lidé, přichází do ovzduší při dýchání CO2 a vodní pára.
Vydechovaný vzduch obsahuje přibližně objemově 4 % CO2, 5 % vodní páry, 16 % kyslíku a
75 % dusíku. Zvyšování koncentrace CO2 ve vzduchu je vždy spojeno s jistým poklesem
obsahu kyslíku. Tento pokles však nemá nepříznivý vliv na dýchání, neboť ani při dosažení
nejvyšší přípustné koncentrace CO2 (0,5 % obj.) obsah kyslíku by neklesl pod 20,5 % obj. a
tvrzení, že v místnosti je vydýchaný kyslík neodpovídá skutečnosti. Většinou jde o
nepříjemný pocit, vyplývající z porušení tepelné pohody při velké relativní vlhkosti vzduchu,
způsobené vydechovanou vodní parou.
Velmi častou příčinou zhoršování jakosti vzduchu v místnostech jsou zápachy. V obytných
a občanských budovách jsou zdroji zápachů nejčastěji kuchyně, záchody, laboratoře atd.
V obsazených shromažďovacích místnostech je vzduch znečišťován lidskými pachy, které
vznikají rozpadem epitelu kůže a sliznic a rozkladem výpotků a jiných sekretů. Velmi
nepříjemný je také zápach z oděvů a z nábytkových textilií. V průmyslových provozovnách
jsou zdroji pronikavých zápachů různé chemické látky používané při technologických
procesech. Pachy se odstraňují výměnou vzduchu větráním a někdy také rozstřikováním
vonných látek, tzv. desodorací vzduchu.
Vzduch v uzavřených místnostech je také znečišťován prachem, který vzniká rozkladem a
rozpadem anorganických i organických látek. V některých průmyslových odvětvích vniká při
výrobních procesech tzv. průmyslový prach, jehož některé druhy (např. křemičitý nebo
azbestový) jsou velmi škodlivé.
V uzavřených místnostech, zejména kde se shromažďuje větší počet osob, obsahuje vzduch
vždy choroboplodné zárodky (bakterie a plísně). Protože choroboplodné zárodky nemohou ve
vzduchu existovat volně, ale jen usazeny na nosičích, např. částečkách prachu, kapénkách
atd., je nejjednodušším způsobem jejich odstraňování ze vzduchu intenzívní větrání a filtrace
vzduchu. Ve zdravotnictví nebo farmaceutickém průmyslu se vzduch také chemicky nebo
fyzikálně dezinfikuje. K chemické dezinfekci se používá kapalných dezinfekčních prostředků,
9
které se rozstřikují přímo v místnosti. Velmi účinná je fyzikální dezinfekce prozařováním
přiváděného větracího vzduchu nebo přímo vzduchu v místnosti ultrafialovými paprsky, které
ničí všechny druhy mikroorganismů ve vzduchu.
Také nadměrné teplo, projevující se vysokými teplotami vzduchu a intenzitami sálání,
počítáme mezi škodliviny (nadměrně zatěžují cévní systém).
Jako ochrana proti nadměrnému sálavému teplu se provádí tato opatření:
- Snížení intenzity sálání zdroje (snížením povrchové teploty zdroje nebo snížením
součinitele sálání povrchu zdroje),
- Clony proti sálání – mechanické nebo vodní.
- Ochlazování pracovníka pomocí vzduchové sprchy, přímého rozprašování vody nebo
sálavých ochlazovacích panelů.
- Tepelná izolace pracovníka oděvem. Použití vícevrstvého oděvu, světlého oděvu,
polepy oděvu hliníkovou fólií, nebo oděv z pokovené tkaniny. Ve zvlášť horkém
prostředí se používá oděv chlazený vzduchem, např. při čištění kotlů, opravách pecí.
3.2 Hygienické limity látek v ovzduší
Hygienické limity látek v ovzduší pracovišť a způsoby jejich měření stanovuje Nařízení
vlády [12] a [13].
Pro plyny, páry a aerosoly uvádí přípustné expoziční limity PEL a nejvyšší přípustné
koncentrace NPK – P. PEL jsou celosměnové časově vážené průměry koncentrací v
pracovním ovzduší, jímž mohou být vystaveni zaměstnanci při osmihodinové pracovní době,
aniž by u nich došlo i při celoživotní pracovní expozici k poškození zdraví. NPK – P jsou
koncentrace látek, kterým nesmí být zaměstnanec v žádném časovém úseku pracovní doby
vystaven.
Pro prach výše citovaná Nařízení vlády uvádí přípustné expoziční limity, a to pro celkovou
koncentraci (vdechovatelnou frakci) prachu označenou PELc a pro respirabilní frakci prachu
označenou PELr. Vdechovatelnou frakcí se rozumí částice, které mohou být vdechnuty nosem
nebo ústy. Respirabilní frakcí se rozumí frakce vdechnutých částic, které pronikají do té části
dýchacích cest, kde není řasinkový epitel a do plicních sklípků.
Koncentrace škodlivin se vyjadřují koncentracemi hmotnostními [mg.m-3] nebo
objemovými [% obj.; ppm]. Jednotka ppm (parts per miliom) je 10-4 % obj.
3.3 Účinek škodlivin na lidský organismus
Škodlivý účinek částečkových a plynných škodlivin na lidský organismus je závislý jednak
na celkovém množství škodliviny, které se do těla dostává, jednak na její koncentraci. Účinky
mohou být buď místní, nebo celkové (po absorpci v těle) a jejich charakter může být
dráždivý, toxický nebo kumulovaný.
Místní účinek se může projevit v místě kontaktu nebo vstupu do organismu (např. horní
cesty dýchací, nosní sliznice, hrtan, průduškový epitel, plícní tkáně, v zažívacím ústrojí, na
kůži, spojivce oka aj.). Místní účinky se projevují drážděním, které může být mechanické
nebo chemické. Vyšší koncentrace pak způsobují zánětlivé změny. K dráždivým škodlivinám
patří např. oxid siřičitý, ozón, oxidy dusíku, chlor, fluoridy, sirovodík, aldehydy, ketony,
prach textilní (bavlna, len, konopí, syntetická vlákna), živočišný (peří, vlna, srst), rostlinný
(mouka, čaj, káva, koření, ze dřeva).
Působení škodlivin po absorpci v těle může mít průběh mnohem složitější. Plynné
škodliviny, které se absorbují do krve se přenáší do ostatních částí těla, kde mohou vyvolávat
10
různé škodlivé účinky. Část absorbovaného plynu může být z cirkulující krve vyloučena
v plicích, část v ledvinách.
Škodlivost tuhých a kapalných škodlivin závisí nejen na jejich chemickém složení a
koncentraci ve vzduchu, ale i na velikosti částic. V nosních dutinách a horních cestách
dýchacích dochází k odlučování větších částic – přibližně nad 5 mm. Částice o menších
rozměrech se dostávají do dolních cest dýchacích. Nerozpustné částice, které se dostanou do
dolních cest dýchacích, mohou způsobit tzv. zaprášení plic (např. uhelný prach), nebo částice
fibrogenní (např. oxid křemičitý, azbest) působí fibrogenní změny na tkáních plic (silikóza,
azbestóza). Částice o velikosti menší než 0,1 mikronu se znovu vydechují. Nejškodlivější jsou
prachy respirabilní, ve kterých převažují částice o velikostech dovolujících volné pronikání do
plicních sklípků, tj. o velikostech asi 0,1 až 5 mm.. Rozpustné škodliviny pronikají s tělními
tekutinami do organismu. Některé škodliviny jsou vylučovány ledvinami, jiné střevním
traktem. Může docházet i k jejich hromadění v některých orgánech a mohou vyvolávat
funkční a strukturální změny.
4. VĚTRÁNÍ A PROUDĚNÍ VZDUCHU
4.1 Rozdělení větrání
Účelem větrání je zajistit čisté ovzduší ve vnitřních prostorech pracovních, obytných i
společenských. Dosahuje se toho výměnou vzduchu za venkovní. Vzduch se může vyměňovat
v opakujících se časových intervalech – občasné větrání, nebo se vyměňuje spojitě – trvalé
větrání.
Výměnu vzduchu lze provádět v celém prostoru nebo v jeho části. Podle toho se větrání
dělí na:
- Celkové – navrhuje se tam, kde nelze předem určit místa vzniku škodlivin, nebo kde
jsou zdroje škodlivin rovnoměrně rozmístěny (např. shromažďovací místnosti).
- Místní – navrhuje se do prostorů s většími zdroji škodlivin soustředěnými do
vymezeného místa. Škodliviny se odvádějí od zdroje místním odsáváním, nebo se na
pracoviště do míst pobytu lidí přivádí čerstvý vzduch místní zavzdušnění (vzduchová
sprcha, oáza, clona).
Soustavy větrání se dělí podle toho, zda k výměně vzduchu dochází samočinně (vlivem
přirozeného tlakového spádu vznikajícího účinkem rozdílných hustot vzduchu uvnitř a vně
větraného prostoru a účinkem větru), nebo nuceně (ventilátory) na:
- Větrání přirozené – infiltrace, provětrávání, aerace, šachtové větrání.
- Větrání nucené, které může mít ventilátory jen pro přívod, nebo jen pro odvod,
popřípadě pro přívod i odvod vzduchu. Podle dimenzování obou skupin ventilátorů,
může být poměr objemových toků nuceně přiváděného V&p a nuceně odváděného
vzduchu V& , označovaný jako součinitel větrací rovnováhy,
o
ε=
V&p
.
V&
(4.1)
o
Při ε = 1 – rovnotlaké větrání - nevzniká činností větrání žádný rozdíl tlaků uvnitř a vně
větraného prostoru; používá se nemá–li docházet k proudění vzduchu mezi
okolním prostředím a větranou místností;
ε > 1 – přetlakové větrání – používá se tam, kde se přiváděný vzduch upravuje a kde je
třeba zabránit vnikání vzduchu ze sousedních místností (např. operační sály,
výroba televizních obrazovek, řídící kabiny);
11
ε < 1 - podtlakové větrání – navrhuje se tam, kde je nutno zabránit pronikání vzduchu
s přimíšenými škodlivinami do okolních prostorů (větrání laboratoří, sociálních
zařízení apod.).
Dnes se začíná používat větrání hybridní, tj. kombinace přirozeného a nuceného větrání,
kdy oba systémy pracují samostatně. Je to inteligentní větrací systém, který může automaticky
přepnout mezi přirozeným a nuceným větráním. V době příznivých klimatických poměrů je
v činnosti větrání přirozené, nepostačuje-li, uvede se do provozu větrání nucené.
4.2 Výpočet výměny vzduchu při větrání
Průtok čerstvého vzduchu při celkovém větrání můžeme určit z hmotnostní bilance
škodlivin ve větraném prostoru, kterou vyjadřuje diferenciální rovnice větrání
O dk = V&p kp dτ + S dτ - V&p k dτ ,
(4.2)
kde O je objem místnosti [m3],
S - množství vznikající škodliviny [g.s-1] (předpokládáme rovnoměrné rozložení
škodliviny v místnosti),
&
V p - objemový tok přiváděného vzduchu [m3s-1] (předpokládáme, že se stejné množství
vzduchu odvádí),
kp - koncentrace škodliviny v přiváděném vzduchu [g.m-3] ,
k - okamžitá koncentrace škodliviny [g.m-3],
dk - změna koncentrace škodliviny v čase dτ.
Řešením této rovnice v časovém intervalu od 0 do t pro změnu koncentrace škodliviny
v místnosti z k1 na k2 dostaneme množství vyměňovaného vzduchu
V&p =
S
O k 2 − k1
[m3s-1].
−
k2 − k p τ k2 − k p
(4.3)
Při dlouhodobém větrání a rovnoměrném nepřetržitém vzniku škodliviny lze použít τ = ∞ .
Rovnice (4.3) pak dává
V&p =
S
[m3s-1].
k2 − k p
(4.4)
4.3 Proudění vzduchu ve větraném prostoru
Pohodu osob ve větraných a klimatizovaných prostorech podstatně ovlivňuje proudění
vzduchu. Proto ke správnému řešení větrání prostorů patří nejen stanovení intenzity výměny
vzduchu, ale i návrh vhodné distribuce vzduchu ve větraném prostoru.
Ve větraných prostorech je téměř vždy proudění turbulentní. Proud vzduchu přiváděný do
relativně rozměrného prostoru, neomezeného stěnami a předměty v místnosti, se nazývá volný
proud. Proudy, jejichž šíření je ovlivněno stěnami a předměty v prostoru se nazývají omezené.
Proudy šířící se podél stěn, které se mohou rozšiřovat jen na jedné straně, jsou nazývány
poloohraničené. Má-li prostředí stejné fyzikální vlastnosti jako proud a je klidné, je
proud zatopený.
Podle charakteru proudění v prostoru se rozlišují dva základní způsoby přívodu vzduchu, a
to přívod osamocenými vyústkami a přívod velkoplošnými vyústkami.
12
Základem pro objasnění vlastností proudů z vyústek je volný izotermní proud, jehož
schéma je na obr. 4.1. Vzduch o teplotě shodné s teplotou v místnosti je přiváděn otvorem
kruhového průřezu. Turbulentní proud se směrem od výstupního otvoru kuželovitě rozšiřuje.
Částice proudu, vykonávající příčný fluktuační pohyb, předávají hybnost částicím okolního
klidného vzduchu, příčně pronikají do proudu a jsou jím unášeny. S rostoucí vzdáleností od
otvoru se množství proudícího vzduchu stále zvětšuje, současně se také zvětšuje průřez
proudu a naopak se zmenšuje jeho rychlost. Hranice proudu tvoří dvě na sebe navazující části
kuželových ploch. V proudu rozlišujeme krajní oblast o délce xk a hlavní oblast s úhlem
rozšiřování 2ϑ. Obrysové přímky v hlavní oblasti se protínají na ose proudu v pólu P.
V krajní oblasti zůstává osová rychlost proudu wx konstantní a rovná se výtokové rychlosti
z vyústky wo. V hlavní oblasti se osová rychlost postupně zmenšuje a je vyjádřena vztahem
S
wx
= Ks o ,
wo
x
(4.5)
kde Ks je konstanta vyústky vztažená k výstupnímu průřezu vyústky So. Konstanta vyústky se
určuje pro každý typ vyústky experimentálně.
Obr. 4.1 Schéma volného izotermního proudu z kruhové vyústky
V hlavní oblasti lze příčný rychlostní profil vyjádřit podle Schlichtinga vztahem
⎡ ⎛y
= ⎢1 − ⎜⎜ x
wx ⎢ ⎝ R x
⎣
wx, y
⎞
⎟⎟
⎠
1, 5
2
⎤
⎥ .
⎥⎦
(4.6)
Volný proud z vyústky obdélníkové se po krátkém úseku, kde je jeho průřez daný tvarem
vyústky, mění postupně na průřez kruhový. Pro výpočet parametrů tohoto proudu, např. osové
rychlosti lze proto použít rovnici (4.5).
Proud vytékající z nekonečně dlouhé přímé štěrbiny se nazývá plochý proud. V praxi lze za
plochý proud považovat proud ze štěrbinové vyústky s poměrem stran větším než 25 : 1. Osová
rychlost v hlavní oblasti proudu je vyjádřena vztahem
b
wx
= Kb o ,
x
wo
(4.7)
13
kde Kb je konstanta štěrbinové vyústky a bo šířka štěrbiny.
Při přívodu teplejšího nebo chladnějšího vzduchu do místnosti se mezi proudem a okolím
sdílí nejen hybnost, ale i teplo. Spolu s poklesem rychlosti se vyrovnávají teploty.
Bezrozměrné teplotní profily v hlavní oblasti proudu jsou s profily rychlostí vázány vztahem
t x, y − t i
⎛ wx, y
= ⎜⎜
t x − t i ⎝ wx
⎞
⎟⎟
⎠
PrT
,
(4.8)
kde tx,y, wx,y je teplota a rychlost v místě x, y, tx,, wx je teplota a rychlost v ose proudu ve
vzdálenosti x od vyústky, ti je teplota okolního vzduchu a PrT je turbulentní Prandtlovo číslo.
O stupni neizotermičnosti proudu rozhoduje poměr sil vztlakových k silám setrvačným,
působících na částice vzduchu, který je vyjádřen Archimédovým číslem. Pro poměry ve
vyústce je Archimédovo číslo definováno vztahem
Aro =
g l o To − Ti
2
wo Ti
,
(4.9)
v němž g je tíhové zrychlení, lo je charakteristický rozměr vyústky, To je teplota vzduchu ve
výusti a Ti je teplota okolního vzduchu. Proudy jsou mírně neizotermní při Aro ≤ 0,001 a
značně neizotermní při Aro > 0,01. Nejvýraznějším účinkem vztlakových sil je vertikální ohyb
proudu. U mírně neizotermních proudů lze předpokládat, že obdobně jako proudy izotermní,
se v prostoru šíří přímočaře.
5. OBRAZY PROUDĚNÍ. PŘIROZENÉ VĚTRÁNÍ
5.1 Obrazy proudění ve větraném prostoru
Představa o rychlostním a teplotním poli ve větraném prostoru je tzv. obraz proudění.
Proudění ve větrané místnosti dělíme na primární a sekundární. Primární je proudění od
větracích otvorů, sekundární je vyvolané primárními proudy. Zatopený proud strhává,
zejména v počáteční části, okolní vzduch, takže objem proudícího vzduchu se zvětšuje.
Odváděcím otvorem se při rovnotlakém izotermním větrání odvádí stejný objem vzduchu jako
se přivedl a vzduch stržený do proudu z okolí cirkuluje v místnosti.
Charakter proudění vzduchu ve větrané místnosti určuje především:
- Počet, poloha a velikost přiváděcích otvorů – vyústek, výstupní rychlosti a teploty
přiváděného vzduchu.
- Umístění, povrchová teplota a velikost zdrojů tepla a chladu v prostoru. Zdroje tepla podle
své velikosti způsobují větší či menší stoupající proudy ohřátého vzduchu, které strhávají
vzduch z okolí a v místnosti působí jako komíny. Zdroji chladu jsou např. okna a stěny
venkovních zdí, po nichž ochlazený vzduch klesá dolů.
Pozn.: Pohyb strojních součástí, pohyb lidí a poloha odváděcích otvorů vzduchu mají jen
malý podřadný vliv na obrazy proudění.
Při izotermním větrání ideální výměna vzduchu nastává, přivádíme-li do místnosti vzduch
malou rychlostí – celou stěnou a odvádíme otvorem v protilehlé stěně (obr. 5.1a). Zcela jinak
vypadá proudění, přivádíme-li vzduch menší vyústkou (obr. 5.1b). V tomto případě zatopený
proud strhává vzduch z okolí, který v místnosti cirkuluje.
14
b)
a)
Obr. 5.1 Obrazy izotermického proudění vzduchu a) ideální, b) přívod vyústkou
Při neizotermickém větrání jsou obrazy proudění ovlivňovány vztlakovými silami, které
proudy zakřivují, zejména je-li vzduch přiváděn malou rychlostí. Je-li teplota přiváděného
vzduchu to vyšší než teplota vzduchu v místnosti ti, odchyluje se proud vzduchu směrem
nahoru, je-li naopak to < ti, odchyluje se proud dolů. Vede-li se nucený proud vzduchu
vertikálně (při použití perforovaného stropu a podlahové mříže), lze mluvit o větrání shora –
dolů nebo naopak zdola – nahoru a o tzv. ideálních obrazech proudění viz obr. 5.2c, b. Přivádí
–li se teplejší vzduch zdola – nahoru (obr. 5.2a) nebo naopak teplejší vzduch shora – dolů
(obr. 5.2d) vytváří se osamocené vzestupné nebo sestupné proudy, takže prostor není
provětrán rovnoměrně.
Obr. 5.2 Obrazy neizotermního proudění vzduchu
Podle těchto obrazů proudění lze učinit závěr, že při neizotermním větrání s malou
výtokovou rychlostí z vyústek je nutno vést proud vzduchu proti směru přirozeného proudění.
5.2 Provedení vyústek
Vyústky slouží k přívodu vzduchu do větraných místností a také k jeho odvádění. Podle
polohy se dělí na: - nástěnné, - stropní, - podlahové.
Vyústky nástěnné. Jako nástěnné vyústky se používají vyústky obdélníkové, štěrbinové a
velkoplošné.
Obdélníkové vyústky s usměrňovacími listy jsou nejrozšířenější (obr. 4). Podle počtu
soustav usměrňovacích listů se dělí na jednořadé (umožňují regulaci směru proudu v jedné
rovině) a dvouřadé (umožňují prostorovou regulaci). K regulaci požadovaného množství
vzduchu se nejčastěji používá regulace protiběžnými klapkami.
15
Obr. 5.3 Obdélníková vyústka. a) pohled, b) regulace průtoku klapkami a náběhovými listy,
c) příklad možnosti nastavení předních listů
Štěrbinové vyústky mají tvar protáhlého obdélníku, který je příčnou nebo podélnou mříží
rozdělen na úzké štěrbiny.
Velkoplošné vyústky se sestavují ze skříní s jednou perforovanou stěnou, do nichž se vhání
vzduch, případně jsou válcového, půlválcového nebo čtvrtválcového provedení
Vyústky stropní. Používá se několik typů, z nichž nejpoužívanější jsou anemostaty,
velkoplošné vyústky, dýzy a štěrbinové vyústky.
Anemostaty jsou různého provedení kruhového nebo čtyřhranného, oba typy i
v difuzorovém provedení. Příklad kruhového anemostatu s kuželovými difuzory je na obr.
5.4. Polohu soustavy kuželových difuzorů lze v axiálním směru měnit a tím regulovat průtok
vzduchu.
Stropní velkoplošné vyústky se sestavují z perforovaných panelů, tj. skříní do nichž se
vhání vzduch a jejichž dno je z jemně perforovaného plechu.
Podlahové vyústky se používají čtyřhranné, štěrbinové a velkoplošné.
16
Obr. 5.4 Difuzorový anemostat kruhový
5.3 Větrání s přirozeným oběhem vzduchu
U větrání s přirozeným oběhem je průtok vzduchu vyvolán rozdílem tlaků uvnitř a vně
větraného prostoru, který vzniká rozdílem teplot uvnitř a vně větraného prostoru (místnosti,
budovy) a tlakovým (dynamickým) účinkem větru na budovu. Přirozené větrání dělíme na
infiltraci (provzdušnění), provětrávání, aeraci a šachtové větrání.
Infiltrace. Při infiltraci proudí vzduch spárami netěsných oken a dveří a pórovitými
stěnami. Rozdělení tlaku na boční stěny budovy vlivem rozdílných teplot vzduchu venku a
uvnitř je na obr. 5.5a a působením větru na obr. 5.5b. Při současném působení rozdílných
teplot a větru se tlaky sčítají. Je-li vnitřní teplota vyšší než venkovní je horní část místnosti
přetlaková, dolní podtlaková. Mezi oběma oblastmi je místo nulového tlakového rozdílu,
kterým prochází neutrální rovina n. Tlakový rozdíl Δp v libovolném místě h od neutrální
roviny při rychlosti větru w = 0 je
Δp = h(ρ e − ρ i ) g ,
(5.1)
kde ρe a ρi značí hustoty vnějšího a vnitřního vzduchu a g gravitační zrychlení.
Působením větru vznikne na návětrné straně jistý přetlak a na závětrné straně naopak jistý
podtlak. Velikost přetlaku, resp. podtlaku se vyjadřuje vztahem
Δp = A p d = A
we2
ρe ,
2
(5.2)
kde A je aerodynamický součinitel (tlakový součinitel větru) - průměrné hodnoty na straně
návětrné jsou 0,9 a na straně závětrné -0,4.
17
Obr. 5.5 Rozložení tlaku na stěny budovy a) vlivem rozdílu hustot vzduchu, b) vlivem
působení větru
Provětrávání. K provětrávání dochází otevíráním oken. Používá se přerušovaně zejména v
obytných a veřejných budovách. Energeticky úsporné je provětrávat krátce, často a velkými
průřezy.
Aerace. Aerace je přirozené větrání regulovatelnými větracími otvory ve stěnách a ve
střeše obr. 5.6. Je rozšířena zejména v teplých průmyslových provozech (měrná tepelná zátěž
od vnitřních zdrojů > 25 W.m-3) hutních, strojírenských a sklářských závodů. Konvekční
proud nad zdrojem tepla se odvádí jen z části. Část m& c se vrací cirkulací a účinkem
ochlazování na obvodových stěnách do pracovní oblasti, kde se mísí s přiváděným vzduchem
venkovním a proudí ke zdroji tepla.
Obr. 5.6 Aerace haly teplého provozu
Hmotnostní tok větracího vzduchu m& se určuje z rovnice tepelné rovnováhy prostoru
m& =
cp
Q&
,
(t o − t e )
(5.3)
kde
Q& = Q& i ± Q& e jsou vnitřní a vnější tepelné zátěže ( − Q& e je tepelná ztráta),
to a te jsou teploty odváděného a venkovního vzduchu.
Teplota to se určuje z teplotního součinitele B
18
B=
t po − t e
to − te
.
(5.4)
Tento součinitel je určován experimentálně a jeho doporučené hodnoty pro různé typy
provozů jsou uváděny v literatuře.
Účinný tlak rov. (5.1) je větší v zimě. Větrací otvory pro zimu mohou být proto menší a
jsou v pásmu nad pracovní oblastí, aby se zvýšila teplota chladného vzduchu před vstupem do
pracovní oblastí. Pro výpočet účinného tlaku z rov. (5.1) určujeme hustotu ri ze střední
teploty vzduchu v hale, která je vyjádřena vztahem ti = (tpo + to)/2. Účinný tlak se rozdělí na
přiváděcí a odváděcí otvory Δp = Δp p + Δp o v poměru Δp o Δp p = 1 až 2 , při čemž má být
Δp p ≤ 5 Pa.
Plochy větracích otvorů se vypočtou ze vztahů
S p=
μp
m&
2 Δp p ρ e
;
So =
μo
m&
2 Δp o ρ o
(5.5)
kde
mp a mo jsou výtokové součinitele přiváděcích a odváděcích otvorů,
ρe a ρo jsou hustoty vzduchu o teplotě te a to.
Šachtové větrání se používá k odvádění škodlivin od stabilního zdroje s dostatečnou
produkcí tepla. Účinný tah šachty
g h ( ρ e − ρ i ) = (λ h / d + ∑ ξ + 1) ρ i w 2 / 2 + ( p e − p i )
(5.6)
se spotřebuje na překonání tlakových ztrát, vytvoření dynamického tlaku ve výstupu a
k překonání rozdílu tlaků vně a uvnitř budovy. V rov. (5.6) λ je součinitel tření, h je výška
větrací šachty, d průměr šachty, ∑ ξ součet ztrátových součinitelů.
6. NUCENÉ VĚTRÁNÍ CELKOVÉ A MÍSTNÍ
Celkové větrání se navrhuje tam, kde nelze předem určit místa vzniku škodlivin, nebo kde
jsou zdroje škodlivin rovnoměrně rozmístěny. Místní větrání se navrhuje do prostorů se zdroji
škodlivin soustředěnými do vymezeného místa. Škodliviny se odvádějí od zdroje místním
odsáváním, nebo se na pracoviště do míst pobytu lidí přivádí čerstvý vzduch.
6.1 Nucené větrání celkové
Nucené větrání zajišťuje výměnu vzduchu nezávisle na vnějších klimatických podmínkách
a proti přirozenému větrání má řadu dalších předností:
- umožňuje regulaci intenzity větrání podle potřeb větraného prostoru,
- umožňuje vzduch filtrovat a také teplotně upravovat,
- umožňuje zpětné využití tepla z odpadního vzduchu,
- umožňuje upravit tlakové poměry v budově a vytvořit vhodné obrazy proudění ve
větraném prostoru.
Soustavy nuceného větrání jsou podle tlaku ve větraném prostoru vzhledem k tlaku
v okolních prostorách přetlakové, podtlakové, nebo rovnotlaké.
19
Větrací zařízení jsou buď jednotková, nebo ústřední. Jednotková zařízení se instalují
převážně do větraného prostoru a jsou svým provedením podokenní nebo skříňová. Používají
se jednotky pro přívod a odvod vzduchu. Jednotka pro přívod vzduchu má směšovací komoru,
filtr, ohřívač, ventilátor a výfukovou komoru s vyústkou. Větrací jednotku pro odvod vzduchu
tvoří ventilátor.
Ústřední větrací zařízení se vyrábí jako sestavná, umisťují se do strojovny a spojují se
s větranými místnostmi vzduchovody. Slouží obvykle k větrání více místností. Příklad
sestavné větrací jednotky vybavené zařízením pro zpětné získávání tepla je na obr. 6.1 Tato
jednotka po doplnění o chladicí a zvlhčovací díl se stává klimatizační.
Větrací zařízení jsou energeticky náročná. Úsporu provozních nákladů lze dosáhnout
především odstraňováním škodlivin v místě jejich vzniku, navrhováním zařízení s cirkulací
vzduchu a využíváním různých systémů zpětného získávání tepla ze vzduchu odváděného do
venkovního ovzduší. Používáním zařízení s cirkulací vzduchu (část odváděného vzduchu se
vrací po filtraci do větraného prostoru) lze dosáhnout úsporu provozních nákladů především
v zimním období, kdy venkovní vzduch, kterým se odváděný vzduch nahrazuje, musí být
ohříván až o 30 K i více.
Obr. 6.1 Ústřední větrací jednotka. V – ventilátorová komora, F – filtrační komora, O –
ohřívací komora, K – klapková komora, ZZT – komora zpětného získávání tepla
6.2 Místní odsávání
Místní odsávání slouží k zachycení škodlivin v místě vzniku a jejich odvedení z místnosti
přímo u zdroje. Místní odsávání je vždy hospodárnější než celkové větrání pro stejný zdroj
škodlivin, neboť koncentrace v odváděném vzduchu mohou být vyšší než u větrání
celkového, kde nesmí překročit nejvyšší přípustné koncentrace. Vyšší hodnoty koncentrací
škodlivin ve vzduchu místně odsávaného jsou přípustné proto, že odváděný vzduch nepřichází
do styku s člověkem.
Odsávací zařízení mohou být ústřední, skupinová a jednotková. Ústředním zařízením se
odsává několik zdrojů pomocí potrubní sítě zapojené na společný ventilátor, umístěný mimo
pracovní prostory. Skupinové zařízení se používá při odsávání od technologických procesů,
při nichž vznikají u skupin strojů chemicky různé látky, které by mohly být po smíšení
hořlavé případně výbušné. Jednotková zařízení se používají zejména pro prašné zdroje. Tvoří
je ventilátor, odlučovač a zásobník prachu. Umisťují se do bezprostřední blízkosti zdroje a
vzduch po vyčištění se vrací do provozovny.
Důležitou součástí odsávacích zařízení je sací nástavec, který slouží zachycení škodlivin u
zdrojů. Hlavními typy sacích nástavců jsou:
20
- odsávací skříně - chemické digestoře, kabiny pro stříkání nátěrových hmot, tryskání
odlitků apod.,
- odsávací zákryty – střechovité (nad zdroji tepla), nebo tvarově přizpůsobené strojům (u
kovoobráběcích a dřevoobráběcích strojů, např. brusek, fréz, transportních zařízení na
dopravu sypkých materiálů aj.),
- boční odsávací štěrbiny, nejčastěji používané v technologii povrchových úprav, u
průmyslových van pro čištění, moření a galvanické pokovování strojírenských výrobků,
- odsávací podlahové rošty, používané např. při stříkání nátěrových hmot, při čištění
odlitků apod.,
- jednoduché sací nástavce – vyústění kruhových, obdélníkových nebo štěrbinových
sacích vzduchovodů, používané ve spojení s pružnými hadicemi k odsávání škodlivin
vznikajících na proměnných místech.
Výpočet sacích nástavců vychází z teorie potenciálního proudění, a to z případu, který se
nazývá propadem. Ekvipotenciální plochy (plochy stejných rychlostí), kolmé na proudnice,
jsou kulové. Rychlost wr na kulové ploše ve vzdálenosti r od propadu je
wr =
V&
4 π r2
,
(6.1)
kde V& je objemový tok vzduchu odsávaný propadem.
Při výpočtu odsávání štěrbinou se vychází z rovinného propadu. Zde jsou ekvipotenciální
plochy válcové. Radiální rychlost wr ve vzdálenosti r od rovinného propadu je
wr =
V&
2π r
,
(6.2)
kde V& je objemový tok vzduchu nasávaný štěrbinou délky 1 m.
Rychlostní pole skutečných sacích nástavců se od uvedených teoretických případů liší,
zejména v oblasti blízké odsávacímu otvoru. Proto se v praxi pro blízkou oblast používá
experimentálně stanovených průběhů rychlostí, zobrazených v bezrozměrných parametrech.
Vztah (6.1) lze použít pro x/D > 1 a vztah (6.2) pro x/b > 2 (D je průměr odsávacího otvoru a
b šířka odsávací štěrbiny).
Pro návrh sacích nástavců platí tyto hlavní zásady:
- sací nástavec má být co nejblíže u zdroje, popř. zdroj úplně uzavírat,
- sací nástavec musí být nastaven tak, aby škodliviny směřovaly do odsávacího otvoru,
- musí být navržen tak, aby pracovník při obsluze nepřicházel mezi zdroj škodlivin a sací
nástavec,
- musí zaručovat bezpečnost při práci.
6.3 Místní přívod vzduchu
Místní přívod vzduchu zajišťuje výměnu vzduchu v omezeném místě vnitřního prostoru.
K místnímu přívodu vzduchu patří vzduchové sprchy, vzduchové oázy a vzduchové clony.
Vzduchové sprchy jsou určeny k ochraně před účinky sálavého tepla. Vyfukuje se jimi
proud vzduchu ve směru působení toku sálavého tepla. Zvětšením rychlosti proudění vzduchu
21
se zvýší součinitel přestupu tepla konvekcí na povrchu osálaného oděvu, čímž se zvýší
tepelný tok přenášený konvekcí do okolí, a sníží se tepelný tok prostupující oděvem k tělu.
Vzduchové sprchy se dělí na jednotkové a ústřední.
Jednotkové vzduchové sprchy se konstruují obvykle jako přenosné nebo pojízdné a jako
stabilní. Většinou pracují bez úpravy vzduchu. Přenosné a pojízdné vzduchové sprchy se
upevňují na stojanu, jsou výškově stavitelné a naklápěcí v rozmezí ±30°. Na obr. 6.2 je
příklad pojízdné vzduchové sprchy, která se skládá z ventilátoru a krátkého vzduchovodu.
Stabilní vzduchové sprchy se upevňují na konstrukcích, např. sloupech a slouží jako trvalé
zařízení pro určité pracoviště.
Ústřední vzduchové sprchy mají centrální strojovnu s úpravou vzduchu (ochlazování,
vlhčení, filtrace), ze které se vzduch rozvádí potrubím do vyústek. Pracují s čerstvým
vzduchem.
Obr. 6.2 Pojízdná vzduchová sprcha
Vzduchová sprcha se počítá jako volný zatopený proud, u něhož se vychází z rychlosti
vzduchu a průměru proudu na pracovišti. Rychlost vzduchu na pracovišti se volí, a to
maximálně 3 m.s-1. Také průměr proudu na pracovišti se volí, a to podle místní situace;
minimálně 1,2 m za předpokladu, že pracovník nemění místo. Vzhledem k tvaru rychlostního
profilu zatopeného proudu (rychlost na okraji proudu je nedostatečná) neuvažuje se na
pracovišti celý průměr zatopeného proudu Dx, ale pouze vnitřní část, jejíž průměr se označuje
jako redukovaný Dxr
D xr = k D x ,
(6.3)
kde k = 0,64 pro rychlostní profil podle Schlichtinga.
Při návrhu vzduchové sprchy je potřeba respektovat některé zásady:
- Teplota proudu vzduchové sprchy na pracovišti nemá být o mnoho nižší než teplota
okolního vzduchu (max. o 3 K). Relativní vlhkost přiváděného vzduchu nemá být vyšší
než 70 %.
- Proud vzduchové sprchy má směřovat na osálanou stranu pracovníka.
- Vzduchové sprchy se nehodí pro pracovní místa, kde se často přechází z místa
osálaného na neosálané a naopak.
Vzduchové oázy. Je to místní přívod vzduchu buď na pracoviště, nebo na místa odpočinku
v provozu, který slouží ke snížení koncentrací škodlivin. Používají se také na pracovištích se
22
zdroji tepla, zejména konvekčního. K vytvoření vzduchových oáz se používá zástěn. Vzduch
se přivádí velkoplošnými vyústkami těsně nad místa pobytu pracovníků, nebo bočně.
Rychlosti ve vzduchové oáze bývají nižší než u vzduchových sprch, nepřesahují obvykle 0,5
m.s-1.
Vzduchové clony snižují volný průtok otvorem (otevřenými dveřmi nebo vraty), který
spojuje dva prostory, mezi nimiž je tlakový rozdíl. Clonu vytváří plochý proud vzduchu ze
štěrbiny umístěné podél jedné strany (nebo dvou protilehlých) otvoru, namířený šikmo do
prostoru s vyšším tlakem. Hybnost tohoto proudu je zdrojem síly, která působí proti přetlaku
v otvoru a tím snižuje průtok otvorem.
Podle umístění štěrbiny jsou clony spodní, boční jedno nebo dvoustranné a clony horní,
které jsou dnes nejpoužívanější. Horní clony mohou mít v podlaze otvor cirkulačního
vzduchu.
7. KLIMATIZAČNÍ ZAŘÍZENÍ
7.1 Klimatizační zařízení a jejich komponenty
Klimatizační zařízení upravují vzduch na požadovanou teplotu, vlhkost a čistotu, a to
automaticky po celou roční dobu. Klimatizační zařízení se skládá z řady komponent, v nichž
probíhají dílčí úpravy vzduchu, tak aby výsledný stav odpovídal požadovanému. Hlavními
komponentami klimatizačních zařízení jsou ohřívače a chladiče, zvlhčovače, chladicí zařízení,
ventilátory, filtry a zařízení pro zpětné získávání tepla.
Ohřívače a chladiče slouží k tepelné úpravě vzduchu. Většinou se používají rekuperační
lamelové výměníky. Teplonosným médiem u ohřívačů bývá teplá či horká voda, nebo pára.
Pro chladiče vzduchu se používá jako chladicí médium voda, někdy i přímo chladivo.
Lamelové trubky se používají proto, aby se zvýšil tepelný tok na straně menšího
součinitele přestupu tepla (na straně vzduchu). Lamelové výměníky nejčastěji vznikají
navléknutím hliníkových lamel obdélníkového tvaru na měděné trubky. Tloušťka lamel bývá
asi 0,2 mm a rozteč 2 až 3 mm. Před lamelovými výměníky musí být umístěn filtr vzduchu.
Ohřívače čerstvého vzduchu musí být samostatným regulačním okruhem zajištěny proti
zamrznutí vody.
Zvlhčovače vzduchu slouží především k úpravě vlhkosti. Vlhčení se provádí vodou, nebo
parou. Pro vlhčení vodou se používají sprchové a blánové pračky vzduchu, které bývají
součástí sestavných klimatizačních zařízení. Pro dovlhčování vzduchu v klimatizovaných
místnostech slouží zvlhčovače s mechanickým rozprašováním vody, nebo pneumatické
zvlhčovače. Parní zvlhčovače se používají u komfortních klimatizačních zařízení a u zařízení,
kde jsou kladeny přísné hygienické požadavky na upravený vzduch.
Sprchové pračky jsou směšovací výměníky, v nichž nastává zvlhčování vzduchu
odpařováním vody z povrchu drobných kapiček. Voda se ve skříni pračky rozstřikuje
tryskami umístěnými rovnoměrně v celém průřezu pračky. Podle požadovaného výkonu se
používají pračky s 1 až 4 sprchovacími registry (řadami trysek). Ve spodní části skříně pračky
je vodní vana s plovákovým regulátorem hladiny. Z vany se odebírá voda přes filtr do sání
čerpadla. Množství rozprašované vody je několikanásobně větší než odpařené, proto jsou
sprchové pračky rozměrné.
Pračky blánové pracují s menším množstvím vody než sprchové, také jejich rozměry jsou
menší. Účinná odpařovací plocha je tvořena soustavou desek, vrstvou vláken či kroužků, které
jsou zvlhčovány rozstřikováním vody z trysek (obr. 7.1).
23
Obr. 7.1 Blánová pračka vzduchu
Zvlhčovače s mechanickým rozprašováním vody mohou být různé konstrukce,
nejobvyklejší jsou s rotujícími kotouči. Voda je přiváděna trubkou na spodní část rotujícího
kotouče a při vysokém počtu otáček se rozpráší na jemné kapičky, které jsou unášeny
vzduchem z ventilátoru.
Pneumatické zvlhčovače využívají pro rozprašování vzduchu stlačený vzduch o přetlaku
0,03 až 0,07 MPa.
Parní zvlhčovače se skládají z redukčního ventilu a z trubky s tryskami, kterými se
vyfukuje pára do zvlhčovací komory sestavného klimatizačního zařízení, nebo přímo do
vzduchovodu. Zvlhčování přiváděním páry je jednoduché, dobře se reguluje (přidávaná pára
téměř neovlivňuje teplotu vzduchu) a je hygienicky nezávadné.
Chladicí zařízení slouží k přípravě chladicí vody pro chladiče vzduchu, nebo jejich
výparník slouží přímo jako chladič vzduchu. Chladicí zařízení pro klimatizaci mají poměrně
velké výkony, avšak na plný výkon pracují pouze několik dní v roce. Proto je nutné, aby byla
dobře regulovatelná a měla dobrou účinnost i při částečném zatížení. Tomu vyhovují chladicí
zařízení s turbokompresory a chladicí zařízení absorpční a pro menší výkony zařízení
s pístovými kompresory. Nejčastěji se používají zařízení kompresorová. Pouze v případech,
kde je k dispozici dostatečný zdroj levného tepla, lze použít absorpční chladicí zařízení, která
jsou investičně dražší.
Ventilátory používané v klimatizačních zařízeních jsou většinou radiální nízkotlaké, nebo
středotlaké. Pouze k dopravě velkých toků vzduchu při malé tlakové ztrátě sítě se používají
ventilátory axiální. Pro vyšší dopravní tlaky se axiální ventilátory skládají za sebou. Axiální
ventilátory jsou při vyšších tlacích hlučnější než radiální.
Filtry v klimatizačních zařízeních jsou určeny k zachycování příměsí ze vzduchu
venkovního a cirkulačního. K nejčastěji používaným filtrům patří filtry vložkové a
odvinovací. Filtrační materiál se volí podle požadavků na odlučivost – ze syntetických, nebo
skleněných vláken. Pro menší objemové toky vzduchu se používají filtry vložkové. Vložky
jsou ve tvaru desek, nebo kapes a zasouvají se do filtračních komor. Pro větší toky se
používají filtry odvinovací, u nichž je filtrační vrstva ve tvaru pásu. Pro zachycování
plynných škodlivin slouží vložkové filtry vybavené nejčastěji vložkami z aktivního uhlí.
Zařízení pro zpětné získávání tepla (ZZT) slouží k předávání tepla z odváděného vzduchu
čerstvému přiváděnému vzduchu. Proto ZZT zhospodárňuje provoz klimatizačních a
větracích zařízení. Bez použití tohoto zařízení teplo spotřebované pro ohřev větracího
24
vzduchu uniká většinou bez užitku v teplém odváděném vzduchu. K základním způsobům
ZZT patří:
- přenos tepla pomocí dvojice lamelových výměníků,
- přenos tepla v deskových výměnících,
- přenos tepla pomocí tepelných trubic,
- přenos tepla, případně i vlhkosti v regeneračních výměnících (převážně rotačních),
- přenos tepla pomocí tepelných čerpadel.
Systém dvojice lamelových výměníků se skládá ze dvou sekcí (dvou samostatných
výměníků z lamelových trubek) propojených potrubím, jímž proudí nemrznoucí kapalina.
Jednou sekcí protéká teplý odváděný vzduch, druhou vzduch přiváděný. Oba proudy jsou od
sebe odděleny a mohou být i značně vzdáleny. Účinnost přenosu se obvykle vyjadřuje
vztahem
η=
t p − to
ti − te
,
(7.1)
kde
te, tp jsou teploty přiváděného vzduchu na vstupu a výstupu z výměníku,
ti je teplota odváděného vzduchu na vstupu do výměníku.
U tohoto systému ZZT se účinnost přenosu tepla pohybuje od 40 do 60 %.
Deskové výměníky jsou tvořeny soustavou desek s mezerami 3 až 6 mm. Plochými kanály
(štěrbinami), jejichž povrch je hladký, tvarovaný, nebo žebrovaný, protéká vystřídaně teplý a
chladný vzduch. Dosažitelná účinnost přenosu tepla je 50 až 70 %.
Tepelné trubice jsou jednotlivé žebrované trubky naplněné z části chladivem uchycené do
rámu. Nejčastěji se používají trubice gravitační, jejichž uspořádání je na obr. 7.2. Teplý
vzduch předává teplo ve spodní části trubice kapalnému chladivu, toto chladivo se vypařuje a
syté páry chladiva stoupají vzhůru. V horní části předávají teplo přiváděnému studenému
vzduchu, kondenzují a zkapalněné chladivo stéká dolů. Účinnost se pohybuje od 50 do 60 %.
Obr. 7.2 Schéma gravitačních tepelných trubic
Regenerační výměníky jsou výměníky, u nichž teplosměnný povrch přichází střídavě do
styku s proudem teplého a chladného vzduchu. Konstrukčně jsou řešeny jako rotační, nebo
přepínací. Nejpoužívanější jsou rotační (obr. 7.3), u nichž je hlavním článkem rotující buben
s teplosměnnou plochou vytvořenou z úzkých kanálků o průměru asi 3 mm. Spodní částí
bubnu je veden proud odváděného teplého vzduchu, horní částí proud čerstvého studeného
25
vzduchu. Regenerační výměníky mohou sloužit k přenosu tepla (teplosměnný povrch bývá
hliníkový), nebo k přenosu tepla a vlhkosti (povrch musí být hygroskopický). Ze všech
systémů ZZT mají nejvyšší účinnost, až 90 %.
Obr. 7.3 Schéma rotačního regeneračního výměníku
Tepelná čerpadla jsou kompresorová chladicí zařízení, u nichž činným článkem je
kondenzátor. Výparníkem zařízení proudí odváděný vzduch a předává teplo chladivu, které se
odpařuje. Po zvýšení tlaku a teploty chladiva v kompresoru, předává chladivo v kondenzátoru
teplo přiváděnému vzduchu. Investičně i provozně jsou ze všech systémů ZZT nejdražší.
K nejpoužívanějším systémům ZZT patří deskové výměníky, dvojice lamelových
výměníku a regenerační rotační výměníky.
7.2 Výpočet pračky vzduchu
Pračka vzduchu je směšovací výměník, v němž dochází k přenosu tepla a vlhkosti. U
sprchové pračky je voda rozprašována do proudícího vzduchu – k přestupu tepla a vlhkosti
dochází mezi vodními kapkami a vzduchem. U blánových praček voda smáčí povrch vestavby
a stéká po ní; zde dochází k přestupu tepla a vlhkosti mezi vzduchem a mokrým povrchem.
Obr. 7.4 Vlhčení vzduchu v adiabatické pračce
Při výpočtu pračky vzduchu vycházíme z hmotnostních a tepelných bilancí sprchového
prostoru a vodního okruhu. Z těchto bilančních rovnic pro adiabatický režim pračky, tzn., že
ve vodním okruhu není zařazen výměník tepla a zanedbáváme teplo přenášené mezi
povrchem komory pračky a okolím, dostaneme
i2 − i1
≈ 0,
x 2 − x1
(7.2)
26
kde i1, i2 je měrná entalpie vzduchu na vstupu a výstupu z pračky a x1, x2 je měrná vlhkost
vzduchu na vstupu a výstupu z pračky. Z této rovnice vyplývá, že směrnicí změny stavu
vzduchu v adiabatické pračce je izoentalpa. Grafické zobrazení v i - x diagramu vlhkého
vzduchu je na obr. 7.4.
8. KLIMATIZAČNÍ SYSTÉMY
Systémy klimatizačních zařízení se dělí na ústřední systémy a klimatizační jednotky.
Ústřední klimatizační systémy se skládají z ústřední klimatizační strojovny, potrubního
rozvodu a případně decentrálních jednotek, sloužících k dodatečné úpravě vzduchu
v jednotlivých místnostech. Pro ústřední klimatizační systémy se používají téměř výhradně
sestavná klimatizační zařízení v plechovém provedení. Jednotlivé díly (tzn. filtrační,
směšovací, ohřívací, chladicí, zvlhčovací, ventilátorový, ZZT, tlumicí) jsou tvořeny skříněmi,
které se mohou jednoduchým způsobem spojovat.
Klimatizační jednotky jsou kompaktní zařízení obvykle skříňového provedení, která se
používají ke klimatizaci jednotlivých místností.
Podle druhu teplonosné látky, zajišťující požadavky komfortu, či technologické, se
klimatizační systémy dělí na:
- vzduchové (teplonosným prostředím je pouze vzduch),
- kombinované (vzduch – voda),
- vodní,
- chladivové.
8.1 Vzduchové systémy
Vzduchové systémy se dělí na nízkotlaké (rychlost v hlavním rozváděcím potrubí do 12
m.s-1) a vysokotlaké (rychlost až 25 m.s-1). Ke vzduchovým systémům patří jednokanálová
zařízení nízkotlaká a vysokotlaká a vysokotlaká zařízení dvoukanálová.
Nízkotlaká zařízení jednokanálová (obr. 8.1) mají společnou úpravu vzduchu pro všechny
klimatizované místnosti. Jsou jednoduchá a levná. Jejich nedostatkem je, že čidlo automatické
regulace je možno umístit pouze v jedné místnosti.
Obr. 8.1 Nízkotlaké ústřední klimatizační zařízení jednokanálové. O1 – předehřívač, F – filtr,
CH – chladič, P – zvlhčovač, O2 – dohřívač, V1, V2 – ventilátor pro přívod a odvod vzduchu
27
Vysokotlaká jednokanálová zařízení se liší od nízkotlakých tím, že jako koncové prvky
jsou použity expanzní skříně, na něž se připojuje nízkotlaký rozvod vzduchu k vyústkám.
Vysokotlaká klimatizační zařízení dvoukanálová. V nich se vzduch upravuje ve strojovně
na dva stavy – vzduch chladný a teplý, které se rozvádí budovou v samostatných
vzduchovodech (obr. 8.2). Pro každou místnost se vzduch z obou vzduchovodů mísí ve
směšovací skříni. Poměr míšení je řízen termostatem. Umožňuje tedy individuální regulaci
stavu vzduchu v každé místnosti. Nevýhodou tohoto systému je především rozměrnost
dvojího rozvodu.
Obr. 8.2 Dvoukanálové vysokotlaké klimatizační zařízení. 1 – teplý vzduch, 2 – chladný
vzduch, 3 – směšovací skříň, 4 – odváděný vzduch
8.2 Systémy kombinované
Systémy kombinované jsou vysokotlaké, umožňují individuální regulaci stavu vzduchu
v každé místnosti. Ve strojovně se upravuje pouze čerstvý (primární) vzduch. Sekundární
vzduch se přisává v klimatizovaných místnostech v indukčních jednotkách (IJ), v nichž
probíhá konečná úprava vzduchu (obr. 8.3). Sekundární vzduch zde prochází přes lamelový
výměník, v němž se ohřívá nebo chladí a směšuje se vzduchem primárním. Rozvod vody k IJ
se používá především dvoutrubkový přepínací, nebo čtyřtrubkový. Tyto systémy jsou vysoce
komfortní, ale investičně náročné.
Obr. 8.3 Vysokotlaké klimatizační zařízení s indukčními jednotkami. 1 – centrální strojovna,
2 – rozvod primárního vzduchu, 3 – indukční jednotka, 4 – výměník tepla, 5 – filtr, 6 – přívod
a odvod teplonosného média, 7 – potrubí pro odvod vzduchu
28
8.3 Systémy vodní
Systémy vodní – na rozvod teplé a chladné vody (dvoutrubkový nebo čtyřtrubkový) jsou
připojeny klimakonvektory (fan-coily) – obr. 8.4, které obsahují filtr, ventilátor, ohřívač a
chladič. Pracují pouze s oběhovým vzduchem, nebo nasávají také větrací vzduch, nejčastěji
otvorem ve fasádě. Vodní systémy jsou levnější než vzduchové nebo kombinované (odpadají
vzduchovody) a také provozní náklady jsou nižší, protože mohou být v provozu jen ty
klimakonvektory, které jsou potřebné. Nevýhodou je větší hlučnost. Tyto systémy se dnes
často používají místo systémů kombinovaných.
Obr. 8.4 Podokenní klimakonvektor. K – klapka, F – filtr, V – Ventilátor, O – ohřívač, Ch
– chladič, č.v. – čerstvý vzduch, o.v. – oběhový vzduch
8.4 Chladivové systémy
Chladivové systémy slouží především ke klimatizaci jednotlivých místností. Patří sem:
- okenní klimatizátory,
- mobilní klimatizační zařízení,
- dělená klimatizační zařízení (split systémy).
Obr. 8.5 Okenní klimatizátor. 1- filtr, 2 – radiální ventilátor, 3 – axiální ventilátor,
4 – chladicí kompresor, 5 – výparník, 6 – kondenzátor, 7 – žaluzie, 8 – klapka,
9 – vyústka, 10 - elektromotor
29
Okenní klimatizátory mají vestavěné chladicí zařízení se vzduchem chlazeným
kondensátorem, který musí být umístěn vně místnosti. Mohou pracovat buď jen s oběhovým
vzduchem, nebo s určitým podílem čerstvého vzduchu. Umisťují se do okna, nebo do
venkovní stěny (obr. 8.5).
Mobilní klimatizační zařízení mají celý chladicí okruh ve skříni umístěné v klimatizované
místnosti. Zařízení je vybaveno pružnou hadicí pro odvod kondensačního tepla do
venkovního prostředí. Vzduch pro chlazení kondensátoru se nasává z klimatizované místnosti.
Split systémy (dělené chladivové systémy) mají výparník společně s ventilátorem uložen ve
vnitřní jednotce umístěné v klimatizované místnosti. Příklady provedení vnitřních jednotek
jsou na obr. 8.6. Srážník chlazený vzduchem a chladicí kompresor jsou ve venkovní jednotce,
umístěné na venkovní fasádě, nebo střeše objektu (obr. 8.7). Jednotky jsou propojeny
chladivovým potrubím.
Obr. 8.6 Příklad provedení vnitřních jednotek systému split
Tyto systémy existují také v provedení, kdy na jednu venkovní jednotku lze připojit více
vnitřních jednotek (až 64), tzv. multisplit systémy. Multisplit systém je řízen počítačem.
30
Provoz tepelného čerpadla je zde samozřejmostí. Současně mohou být některé jednotky
v režimu chlazení a jiné v režimu topení. Je to velmi rozšiřující se systém, který však
nezajišťuje větrání.
Obr. 8.7 Venkovní jednotka systému split
9. DIMENZOVÁNÍ KLIMATIZAČNÍCH ZAŘÍZENÍ
Správné dimenzování klimatizačních zařízení je závažnou záležitostí hygienickou, ale také
ekonomickou. Nedostatečné dimenzování způsobí, že zařízení nevyhovuje při špičkových
zátěžích a předimenzovaná zařízení jsou především zbytečně nákladná.
Při dimenzování klimatizačních zařízení je třeba znát tyto údaje:
- letní tepelnou zátěž a zimní tepelné ztráty klimatizovaného prostoru,
- požadované mikroklima v místnostech (pro letní a zimní provoz),
- výpočtové parametry venkovního vzduchu (pro letní a zimní provoz),
- druh provozu v klimatizovaných prostorech a s tím spojené zdroje škodlivin.
Výpočet tepelné zátěže klimatizovaných prostorů se u nás provádí podle ČSN 730548 [8].
Výpočet tepelných ztrát podle normy ČSN 060210 [9], nebo ČSN EN 12831 [10].
Požadované parametry vnitřního vzduchu (teplota a vlhkost) se pro komfortní klimatizaci
volí tak, aby v místnosti byla zajištěna tepelná pohoda, pro průmyslovou klimatizaci jsou
dány požadavky technologickými.
Výpočtová teplota a vlhkost pro letní provoz se berou podle klimatický dat pro danou
lokalitu a pro zimní provoz buď dle klimatických dat, nebo jako při výpočtu tepelných ztrát,
ale s teplotou o 3 K nižší než odpovídá výpočtové venkovní teplotě v dané oblasti.
Dimenzování klimatizačního zařízení zahrnuje tyto dílčí úkony:
1. Volba systému klimatizace, podle účelu ke kterému má zařízení sloužit.
2. Stanovení minimálního množství čerstvého vzduchu. Počítá se obdobně jako při
dimenzování větrání, nejlépe na základě známého množství vznikajících škodlivin a
jejich přípustných koncentrací.
31
3. Znázornění procesu úpravy vzduchu v i – x diagramu vlhkého vzduchu při extrémních
letních a zimních podmínkách a dimenzování jednotlivých částí zařízení, tzv.
psychrometrický výpočet.
Dimenzování klimatizačních zařízení se provádí podle letního provozu. Při dalším postupu
budeme předpokládat, že klimatizační zařízení pracuje se stejným množstvím vzduchu v létě i
v zimě.
Znázornění procesu úpravy vzduchu v i – x diagramu
Letní provoz klimatizačního zařízení
Uvažujme nízkotlaké klimatizační zařízení jednokanálové dle obr. 8.1. Pro letní provoz
jsou zadány tyto hodnoty:
te, ϕe
stav venkovního vzduchu
ti, ϕi
požadovaný stav vnitřního vzduchu
celková tepelná zátěž klimatizovaného prostoru Q& i
množství vznikající vlhkosti
m& wi
minimální hmotnostní tok čerstvého vzduchu m& ve
Letní provoz zařízení je jednoduchý. Oběhový vzduch z místnosti o stavu I se mísí se
vzduchem venkovním o stavu E (obr. 9.1). Směs o parametrech S se ochlazuje v chladiči na
stav P, s nímž se dostává do místnosti. V důsledku tepelné zátěže Q& i a vznikající vlhkosti
m& dochází v místnosti ke změně stavu vzduchu I-P. Q& a m& lze vyjádřit vztahy
wi
i
wi
Q& i = m& v (ii − i p ) ,
(9.1)
m wi = m& v ( xi − x p ) .
(9.2)
Směr změny stavu vzduchu I-P je dán poměrem
∂i =
ii − i p
Q& i
,
=
m& wi xi − x p
(9.3)
kde ∂ i je hodnota na okrajovém měřítku i - x diagramu.
Ze zvoleného pracovního rozdílu teplot Δtprac = ti - tp = 6 až 10 K se stanoví teplota
přiváděného vzduchu tp a tím je v i-x diagramu určen stav přiváděného vzduchu, tj. průsečík
izotermy tp se směrnicí ∂ i procházející bodem I.
Celkový hmotnostní tok vzduchu přiváděného do klimatizovaného prostoru se vypočítá
např. z rovnice (9.1)
m& v =
Q& i
.
ii − i p
(9.4)
Hmotnostní tok oběhového vzduchu pak je
m& vc = m& v − m& ve .
(9.5)
Z vlhkostní bilance míšení vzduchu čerstvého a oběhového
32
m& ve xe + m& vc xi = (m& ve + m& vc ) x s
(9.6)
se stanoví měrná vlhkost vzduchu po smíšení xs. Průsečík směrnice míšení (spojnice bodů E a
I) s měrnou vlhkostí xs udává stav směsi S.
Obr. 9.1 Znázornění letního provozu klimatizačního zařízení v i – x diagramu
Spojnice bodů S a P v průsečíku s křivkou ϕ = 1 dává rosný bod chladiče R a jemu
odpovídající teplotu. Podle této hodnoty se volí typ chladiče, jehož tepelný výkon je
Q& ch = m& v (i s − i p ) .
(9.7)
Zimní provoz klimatizačního zařízení.
Jsou zadány tato hodnoty:
stav venkovního vzduchu
požadovaný stav vnitřního vzduchu
tepelné ztráty klimatizovaného prostoru
množství vznikající vlhkosti
celkový hmotnostní tok přiváděného vzduchu
te, ϕe
ti, ϕi
Q& z
m& wi
m& v
Při zimním provozu (obr. 9.2) se venkovní vzduch E nejdříve ohřeje (na ochranu proti
zamrznutí a kondenzaci vodní páry) na stav K, potom se mísí se vzduchem oběhovým o stavu
I. Vzniklá směs S je adiabaticky vlhčena ve sprchové pračce na stav O a po dohřátí na stav P
je vedena do klimatizované místnosti.
Z tepelné bilance klimatizovaného prostoru rov. (9.1) se vypočítá entalpie přiváděného
vzduchu
Q&
(9.8)
i p = ii + z
m& v
33
a v průsečíku se směrnicí změny stavu vzduchu v místnosti ∂ i
∂i =
Q& z
m& wi
( 9.9)
dostaneme stav přiváděného vzduchu do klimatizované místnosti P.
Volbou teploty předehřátí vzduchu tk (asi 5 až 10 °C) se určí stav vzduchu za
předehřívačem K. Stav vzduchu po smíšení S je dán průsečíkem směšovací úsečky I-K
s měrnou vlhkostí směsi xs, která se vypočítá z bilance míšení rov. (9.6). Vlhčení vzduchu
v adiabatické pračce je děj izoentalpický a stav vzduchu po vlhčení O je dán v průsečíku
izoentalpy is s měrnou vlhkostí xp. Adiabatická účinnost pračky je pak dána vztahem
η ad =
xo − x s
.
xoid − x s
(9.10)
Obr. 9.2 Znázornění zimního provozu klimatizačního zařízení v i - x diagramu
Tepelné výkony předehřívače Q& o1 a ohřívače za vodní pračkou jsou vyjádřeny vztahy
Q& o1 = m& ve (ik − ie ) ,
(9.11)
Q& o 2 = m& v (i p − io ) .
(9.12)
34
10. SYSTÉMY VYTÁPĚNÍ. TEPLOVODNÍ VYTÁPĚNÍ
10.1 Přehled používaných systémů vytápění
Teplo k vytápění budov se vyrábí buď místním (lokálním) způsobem, nebo ústředně. U
lokálního vytápění je zdroj tepla přímo ve vytápěném prostoru. U ústředního vytápění je zdroj
tepla umístěn mimo vytápěný prostor, nebo v některé z provozních místnosti. Ze zdroje tepla
se teplo rozvádí teplonosnou látkou – vodou, parou nebo vzduchem do vytápěného prostoru.
Podle toho rozlišujeme vytápění vodní (teplovodní, horkovodní), parní (nízkotlaké,
vysokotlaké) a teplovzdušné.
Ze všech druhů vytápění je nejrozšířenější vytápění teplovodní s teplotou vody do 95 °C.
Používá se v obytných domech a dále všude tam, kde se z hygienických důvodů požaduje
nízká teplota otopných těles. Zvláštním druhem teplovodního vytápění je tzv. velkoplošné
vytápění s teplotou vody obvykle do 60°C, u kterého otopnou plochou je některá ze stěn
ohraničujících vytápěný prostor.
Nízkotlaké parní vytápění s přetlakem páry do 50 kPa se zřizuje zejména v průmyslových
objektech. Má větší provozní pohotovost, uplatňuje se především u přerušovaného provozu
vytápění.
Vysokotlaké parní vytápění a horkovodní vytápění (teplota teplonosné látky nad 110 °C) se
používá pouze v průmyslových závodech. Vyšší povrchová teplota otopného tělesa je méně
hygienická, avšak investiční náklady jsou nižší.
Teplovzdušné vytápění se u nás používá nejčastěji pro vytápění průmyslových hal a jiných
půdorysně rozlehlých a vysokých místností. Teplý vzduch je v centrálním ohřívači, nebo v
nástěnných teplovzdušných soupravách ohříván vodou nebo parou. Pro průmyslové haly a
jiné půdorysně rozlehlé a vysoké místnosti se používá také vytápění sálavé - zavěšenými
sálavými panely, nebo lokální plynové sálavé vytápění tmavými či světlými zářiči. Otopným
médiem pro sálavé panely je horká voda nebo pára s teplotou až 160 °C. Vytápění sálavé je
investičně dražší, ale provozně levnější než vytápění teplovzdušné.
10.2 Teplovodní vytápění
Teplovodní vytápění pracuje obvykle s jmenovitými teplotami 90/70 °C. V průběhu
otopného období se teplota vody mění v závislosti na teplotě venkovního vzduchu. Dnes se
používá také teplotní spád 70/50 °C v souvislosti se zvyšováním tepelné izolace budov a u
objektů s velmi dobrou tepelnou izolací i teplotní spád 55/45 °C. Nižší teplotní spád vede ke
zvýšení komfortu ve vytápěných místnostech.
Podle zdroje tlakového spádu se rozlišuje teplovodní vytápění s přirozeným oběhem
(vyvozeným rozdílem hustot vody ochlazené a teplejší přívodní) a s nuceným oběhem
(vyvozeným čerpadlem). Další rozdělení teplovodních soustav je na dvoutrubkové (ke
každému otopnému tělesu se přivádí dvě potrubí – přívodní a vratné) a jednotrubkové (těleso
je připojeno na rozvod vody pouze jedním potrubím). Dále se soustavy dělí podle umístění
hlavního vodorovného přívodního potrubí na soustavy se spodním a horním rozvodem. Podle
polohy přívodního a vratného potrubí pak rozlišujeme rozvod vertikální a horizontální.
10.2.1 Teplovodní vytápění s přirozeným oběhem vody
Toto výtápění lze používat pro menší, půdorysně nepříliš rozlehlé budovy. Nyní se používá
jen zcela zřídka. Soustava je většinou dvoutrubková, může být se spodním i horním
rozvodem.
U soustavy s horním rozvodem se dosáhne poněkud většího oběhového tlaku než u
soustavy se spodním rozvodem a také uvedení do provozu je rychlejší. Soustava s horním
35
rozvodem je však dražší. Schéma teplovodní otopné soustavy vertikální dvoutrubkové
s horním rozvodem a přirozeným oběhem je na obr. 10.1 a se spodním rozvodem na obr. 10.2
(bez čerpadla).
Obr. 10.1 Dvoutrubková vertikální otopná soustava s horním rozvodem a přirozeným oběhem
vody. K – kotel, SP – svislé přívodní potrubí, HP – horizontální přívodní potrubí, T – otopné
těleso, HV – horizontální vratné potrubí, EN – expanzní nádoba, 1, 2, 3 – svislé větve
10.2.2 Teplovodní vytápění s nuceným oběhem vody
Oproti vytápění s přirozeným oběhem má řadu výhod:
- menší průměry trubek a tím menší investiční náklady,
- jednodušší montáž sítě,
- možnost připojit i otopná tělesa ležící níže než zdroj tepla,
- kratší doba zátopu a snadnější regulace.
Nevýhodou nuceného oběhu je závislost na dodávce elektrické energie, větší provozní
náklady a jistá hlučnost čerpadel.
Schéma otopné soustavy s nuceným oběhem je v podstatě stejné jako při přirozeném
oběhu. Soustava může být se spodním nebo horním rozvodem, dvoutrubková nebo
jednotrubková. Oběhové čerpadlo je vřazeno do vratného, nebo přívodního potrubí. Schéma
vertikální dvoutrubkové soustavy se spodním rozvodem a čerpadlem ve vratném potrubí je na
obr. 10.2. Celá soustava je spojena s expanzní nádobou pojistným potrubím připojeným na
přívodní i vratné straně. Odvzdušnění soustavy se provádí buď ručně odvzdušňovacími
ventily připojenými k nejvýše položeným otopným tělesům (větev 1), nebo samočinně
odvzdušňovacím potrubím (větev 2 a 3).
Horizontální otopné soustavy jsou vhodné tam, kde je třeba zmenšit počet svislých větví
hlavního rozvodu nebo kde se požaduje připojit na společnou svislou větev všechna otopná
tělesa samostatné skupiny místností, např. jednoho bytu. Lze je použít pro oběh přirozený i
nucený.
36
Obr. 10.2 Dvoutrubková vertikální otopná soustava se spodním rozvodem a nuceným oběhem
vody. K – kotel, SP – svislé přívodní potrubí, HP – horizontální přívodní potrubí, T – otopné
těleso, HV – horizontální vratné potrubí, EN – expanzní nádoba, PP, PV – pojistné potrubí na
přívodní a vratné straně, 1, 2, 3 – svislé větve, Č – čerpadlo, OV – odvzdušňovací ventil, OP –
odvzdušňovací potrubí
Velmi rozmanitým způsobem lze při nuceném oběhu řešit jednotrubkové soustavy. Rozvod
může být buď vertikální, nebo horizontální, otopná tělesa mohou být připojena v obtoku, nebo
průtoku.
Jednotrubková vertikální soustava s horním rozvodem vody (obr. 10.3) je vhodná zejména
pro budovy s půdním prostorem. K regulaci průtoku vody otopnými tělesy připojenými
v obtoku se používají trojcestné ventily zařazené v dělicích bodech před každým tělesem. Do
vzdálenějších těles od kotle se přivádí postupně chladnější voda; tato změna se respektuje při
dimenzování otopných těles. Soustava se spodním rozvodem se používá především u budov
s plochou střechou.
Obr. 10.3 Vertikální jednotrubková soustava s horním rozvodem a s tělesy v obtoku
37
Různé způsoby připojení těles k horizontální jednotrubkové soustavě jsou znázorněny na
obr. 10.4. U horizontální soustavy s průtokem není možné individuálně regulovat jednotlivá
tělesa. U soustavy s tělesy připojenými v obtoku lze průtok vody každým tělesem regulovat.
Často se zde používá regulační armatury, nebo regulovatelné clony ve zkratu. K progresivním
řešením patří použití čtyřcestné armatury s jednobodvým, nebo s dvoubodovým připojením.
Obr. 10.4 Horizontální jednotrubková soustava. a) s průtokem, b) s obtokem, c) s regulační
armaturou ve zkratu, d) s regulovatelnou clonou ve zkratu, e) s čtyřcestnou armaturou
s jednobodovým připojením, f) s čtyřcestnou armaturou s dvoubodovým připojením
10.2.3 Otopná tělesa
Jako otopná tělesa pro teplovodní vytápění se používají tělesa desková, článková, trubková
a konvektory.
Nejpoužívanější jsou dnes tělesa desková. Jsou svařovaná z ocelového plechu, mají hladký,
nebo mírně zvlněný povrch. Vyrábí se v provedení jednoduchém, zdvojeném a ztrojeném, bez
dodatkových ploch, nebo s dodatkovými plochami (obr. 10.5). Výhodou jednoduchých
deskových těles bez dodatkových ploch je malá stavební hloubka, snadné čištění a velký podíl
sálání na tepelném toku přenášeném z přední strany. Teplo přenášené sáláním velmi
významně přispívá k rovnoměrnému vytápění místnosti. Použitím dodatkových ploch, které
tvoří např. vlnovce z tenkého ocelového plechu přibodované k základnímu deskovému tělesu,
se dosahuje zvětšení tepelného výkonu. Zvětšuje se ale podíl konvekční složky přenášeného
tepla a zhoršuje se jejich čistitelnost.
Článková otopná tělesa se vyrábí z litiny. Z jednotlivých článků lze sestavit otopné těleso
libovonné plochy. Teplo z povrchu tělesa se přenáší konvekcí a radiací (33 % celkové
tepelného výkonu).
38
Obr. 10.5 Provedení deskových otopných těles
Trubková tělesa jsou hady nebo registry z hladkých trubek. Používají se pro vytápění
schodišť, sociálních zařízení a jiných pomocných místností.
Konvektory (trubková tělesa se zákrytem) tvoří vodorovné žebrované trubky obklopené
dvojitým zákrytem, který jako šachta podporuje proudění vzduchu (obr. 10.6). Teplo se
z povrchu přenáší především konvekcí. Konvektory mají nepatrnou setrvačnost, nevýhodou
však je intezívnější cirkulace vzduchu, kterou se roznáší prach po místnosti.
Obr. 10. 6 Konvektor
11. VYTÁPĚNÍ TEPLOVODNÍ VELKOPLOŠNÉ, HORKOVODNÍ A PARNÍ
11.1 Velkoplošné teplovodní vytápění
Velkoplošné vytápění je zvláštním druhem teplovodního vytápění, u něhož otopnou
plochou je některá ze stěn ohraničujících vytápěnou místnost. Podle toho se rozlišuje vytápění
39
stropní, podlahové a stěnové. Povrchová teplota otopné plochy je poměrně nízká; u stropního
vytápění 40 až 45 °C, u podlahového 25 až 30 °C a u stěnového 55 až 60 °C. U stropního
vytápění je až 70 % celkového tepelného výkonu otopné plochy přenášeno sáláním. U
stěnového a podlahového vytápění je to asi 50 %. V poslední době se velkoplošné vytápění
začíná více uplatňovat, a to v nových objektech s velmi dobrými tepelně izolačními
vlastnostmi. Stropních ploch velkoplošného vytápění lze také použít v letním období
k chlazení místnosti.
Oběh vody v soustavě velkoplošného vytápění je nucený. Nízká teplota otopné vody se
získá směšováním vody vystupující z kotle a vratné vody, pomocí trojcestného regulačního
ventilu. Velkoplošnou otopnou soustavu lze také kombinovat s teplovodní soustavou
s otopnými tělesy. Aby bylo možné oba systémy odděleně regulovat (je to nutné vzhledem
k jejich rozdílné tepelné setrvačnosti), je třeba tyto soustavy zařadit vedle sebe podle obr.
11.1.
Obr. 11.1 Kombinace velkoplošného vytápění s vytápěním otopnými tělesy
Dříve nejrozšířenější provedení otopných ploch bylo s ocelovými hady zabetonovanými do
konstrukce podlahy, stropu nebo stěny. Dnes se převážně používají polyethylenové trubky,
které se montují do podkladové polystyrenové desky. K uchycení trubek slouží hliníkové
lamely, které současně zaručují rovnoměrný rozvod tepla. Na povrch se pokládá
suchopotěrová deska, nebo cementový suchý potěr.
Tepelné poměry ve vytápěném prostoru. Při velkoplošném vytápění stropním přenáší
otopná plocha menší část tepla vnitřnímu vzduchu konvekcí a větší část tepla přenáší sáláním
(tj. bez prostřednictví vzduchu) na plochy ohraničující vytápěný prostor. Teplota osálaných
ploch je pak poněkud vyšší než teplota vnitřního vzduchu, což je z fyziologického hlediska
výhodnější než případ opačný. Teplý vzduch ohřátý od otopné plochy zůstává pod stropem,
takže v místnosti nevzniká proudění (nerozviřuje se prach) a vertikální rozložení rychlosti je
velmi rovnoměrné. Pro podlahové vytápění je charakteristické téměř ideální rozdělení teplot
ve svislém směru – teplota ve výšce hlavy o 2 K nižšší než ve výšce kotníků. Při vytápění
stropním je vyhovující teplotní rozdíl – asi 2 K, ale v úrovni hlavy je vyšší teplota než u
nohou.
40
Při konvekčním způsobu vytápění zahřívá otopné těleso především vzduch v místnosti a
ten pak konvekcí přenáší teplo stěnám; teplota vzduchu je vyšší než teplota stěn. Teplý
vzduch proudí od otopného tělesa nahoru ke stropu a k tělesu spodem přitéká chladnější
vzduch. V místnosti vzniká proudění a vlivem něho poměrně velký rozdíl mezi teplotou
vzduchu u stropu a u podlahy, např. při vytápění na teplotu 22 °C je u podlahy teplota 19 °C a
u stropu 25 °C.
11.2 Horkovodní vytápění
Horkovodní vytápění, tj. vytápění vodou o teplotě nad 110 °C, se používá pouze
v případech s mírnějšími nároky na pohodu prostředí, např. v průmyslových provozovnách.
Vlivem vyšší teploty otopné vody je menší otopná plocha při stejném tepelném výkonu,
menší průměr potrubí, a tím menší investiční náklady. Soustava horkovodního vytápění se
podobá soustavě teplovodního vytápění s nuceným oběhem vody. Celé zařízení je při provozu
pod tlakem, který odpovídá teplotě vody. Jako otopná tělesa se nejčastěji používají trubková
tělesa z hladkých, nebo žebrovaných trubek a konvektory.
11.3 Vytápění parní
Vytápění parní dělíme na nízkotlaké a vysokotlaké.
Nízkotlaké parní vytápění se používá zejména v průmyslových objektech. Má větší
pohotovost než vytápění teplovodní. U nízkotlakého parního vytápění dosahuje tlak max. 0,15
MPa. Pára se vede od kotle parním potrubím k otopnému tělesu, ve kterém předává
kondenzační teplo a kondenzát se vrací kondenzátním potrubím zpět do kotle. Přiváděné
množství páry má být tak velké, aby pára vyplnila celé těleso a stačila přitom zkondenzovat.
Přivádí-li se menší množství páry, zaplní se těleso parou jen v horní části, kdežto spodní část
vyplní vzduch vnikající z kondenzátního potrubí a otopný výkon se zmenšuje. Tímto
způsobem je možné do jisté míry regulovat nízkotlaké parní vytápění přímo na otopných
tělesech. Pokud se přivede do tělesa více páry, než v něm může zkondenzovat, pronikla by
pára do kondenzátního potrubí. Aby se tomu zabránilo, musí se umístit za otopné těleso
odvaděč kondenzátu.
Otopné soustavy podle umístění hlavního parního potrubí rozdělujeme na soustavy
s horním rozvodem a se spodním rozvodem. Dále se dělí na soustavy se suchým
(nezatopeným) kondenzátním potrubím a mokrým (zatopeným) kondenzátním potrubím.
Soustava se spodním rozvodem a se suchým kondenzátním potrubím je na obr. 11.2.
Obr. 11.2 Nízkotlaká parní soustava se spodním rozvodem a suchým kondenzátním potrubím.
K – kotel, PP – hlavní parní potrubí, KP – sběrné kondenzátní potrubí, KS – odvodňovací
smyčka, T – otopné těleso, OK – odvaděč kondenzátu, O – odvzdušňovací trubka, ZZ –
zabezpečovací zařízení
41
Hlavní parní potrubí je u této soustavy vedeno pod stropem suterénu se spádem asi 5
promile ve směru toku. Kde není možné vést potrubí s průběžným spádem, je nutné provést
na potrubí odskok (obvykle v místě připojení svislých větví) a v místě odskoku připojit
odvodňovací smyčku. Kondenzátní potrubí je odvzdušňovací trubkou spojeno s vnějším
ovzduším. Proti překročení nejvyššího přípustného tlaku je soustava chráněna
zabezpečovacím zařízením. Nejjednodušší způsob vracení kondenzátu do kotle je
samospádem. Tento způsob lze použít jen v případě, že otopná tělesa ve spodním podlaží jsou
dostatečně vysoko nad vodní hladinou v kondenzátním potrubí. Pokud to není splněno, je
nutné kondenzát do kotle přečerpávat.
Výhodou nízkotlakého parního vytápění oproti teplovodnímu je malá tepelná setrvačnost
soustavy, levnější zařízení a možnost soustavu libovolně rozšiřovat. K nevýhodám patří velmi
obtížná ústřední regulace tepelného výkonu, poměrně vysoká povrchová teplota otopných
těles, rychlejší koroze potrubí, zejména kondenzátního.
Jako otopná tělesa se používají článková litinová tělesa, konvektory a trubková tělesa.
Vysokotlaké parní vytápění, tj. vytápění s tlakem páry nad 0,15 MPa až do 0,3 MPa, se
používá zcela výjimečně, např. v průmyslových závodech, kde tato pára slouží také pro
technologické účely. Používá se obvykle soustava s horním rozvodem. Nevýhodou
vysokotlakého parního vytápění je mimo vysoké povrchové teploty těles především to, že
jediným možným způsobem regulace otopného výkonu je vypínání těles. Vzhledem k tomu se
většinou nahrazuje vytápěním horkovodním Jako otopná tělesa se používají výhradně tělesa
trubková.
11.4 Výpočet tepelných ztrát při ústředním vytápění
V současné době jsou v platnosti dvě odlišné normy, podle kterých lze určit hodnotu
tepelných ztrát a následně dimenzovat otopná tělesa a výkon zdroje. Jedná se o normy ČSN
06 0210 [9] s účinností od roku 1995 a ČSN EN 12831 [10] s účinností od roku 2005.
Přestože se metodika výpočtu podle jednotlivých norem liší, v obou normách výpočet tepelné
ztráty vychází z tepelné ztráty prostupem a tepelné ztráty větráním.
Při výpočtu podle normy ČSN 06 0210 je třeba zohlednit změny, které souvisí se změnou
v normě ČSN 73 05540-4 [11], na kterou se norma ČSN 06 0210 odkazuje a které jsou
v platnosti od června 2005.
12. VYTÁPĚNÍ TEPLOVZDUŠNÉ A SÁLAVÉ
12.1 Vytápění teplovzdušné
Při teplovzdušném vytápění se do vytápěného prostoru přivádí teplý vzduch, který se
ohřívá buď ve strojovně - ústřední teplovzdušné vytápění, nebo ve vytápěném prostoru –
vytápění místními teplovzdušnými jednotkami. V druhém případě odpadá potrubí pro rozvod
vzduchu a k místním jednotkám se rozvádí pouze teplonosná látka (voda nebo pára) nebo
palivo (např. plyn).
Teplovzdušné vytápění vyniká velkou provozní pohotovostí, umožňuje kombinaci
s větráním a investičně je levnější než jiný způsob ústředního vytápění. Nevýhodou je, že
prouděním vzduchu se víří prach, že zcela chybí sálavá složka přenosu tepla a také to, že
nejvyšší teploty vzduchu jsou pod stropem. Teplovzdušné vytápění se používá především pro
vytápění průmyslových hal a jiných vysokých a půdorysně rozlehlých místností, ale také se
začíná používat pro vytápění rodinných domů.
Pro teplovzdušné vytápění půdorysně rozlehlých a vysokých místností se nejčastěji
používají místní telovzdušné jednotky s horkovodním, nebo parním ohřívačem vzduchu.
42
Jednotky se skládají z ohříváku z žebrovaných trubek, z ventilátoru a z vyústky s regulačními
klapkami; v některých případech jsou opatřeny ještě zařízením pro směšování oběhového a
čerstvého vzduchu (obr. 12.1). Podle umístění ve vytápěném prostoru se dělí na jednotky
nástěnné, podstropní a podokenní. Nejčastěji jsou používány jednotky nástěnné, které se
zavěšují obvykle na stěny ve výšce 3 až 4 m nad podlahou. Výtoková rychlost z vyústky se
volí tak velká, aby dosah proudu byl minimálně 25 m. Teplota přiváděného vzduchu je až
70°C. Pro vytápění velkých hal se obvykle používá většího počtu jednotek rovnoměrně
rozmístěných v prostoru. Používají se také teplovzdušné jednotky na kapalná paliva nebo
plyn.
Obr. 12.1 Nástěnná teplovzdušná jednotka. 1 – ohřívák, 2 – ventilátor, 3 – klapka
Pro teplovzdušné vytápění rodinných domů se nejčastěji používají teplovzdušné jednotky
s přímým spalováním paliva, které se umisťují např. v předsíni. Od jednotky se vede potrubím
vzduch do každé místnosti. Z obytných místností se vzduch vrací zpět do předsíně a
teplovzdušné jednotky, zatímco z kuchyně a příslušenství se vypouští do venkovního ovzduší.
12.2 Sálavé vytápění velkoprostorových místností
Pro vytápění půdorysně rozlehlých a vysokých místností se mimo teplovzdušného vytápění
používá také sálavé vytápění zavěšenými sálavými panely, nebo vytápění přímotopnými
plynovými zářiči tmavými či světlými.
12.2.1 Vytápění zavěšenými sálavými panely
Při vytápění zavěšenými sálavými panely otopnou plochu tvoří kovové desky (panely)
zahřívané horkou vodou nebo parou proudící připojenými trubkovými registry (obr. 12.2).
Panely se zhotovují z ocelového nebo hliníkového plechu, jejich šířka je 500 až 1000 mm,
zavěšují se ve velké výšce nad podlahou, nejméně 5 m, nejčastěji 8 až 12 m. Panely přenáší
teplo hlavně sáláním (podíl sálání je 75 až 85 %) dolů do oblasti pobytu lidí. Vytápěcího
účinku se dosáhne především zvýšením teploty povrchu podlahy a technologických zařízení.
Při sálavém vytápění, tedy i při vytápění sálavými panely, se požadované operativní
teploty dosahuje vyšší střední radiační teplotou, a proto teplota vzduchu v oblasti pobytu
může být o 3 až 8 K nižší než při vytápění teplovzdušném; tím se výrazně sníží tepelná ztráta
větráním. Protože teplo přenášené z panelů konvekcí je malé (15 až 25 %) nedochází téměř ke
zvýšení teploty vzduchu v horní části prostoru. Celková spotřeba tepla je při vytápění
sálavými panely ve většině případů o 20 až 30 % menší než při vytápění teplovzdušném.
43
Obr. 12.2 Vytápění haly zavěšenými sálavými panely
K dalším výhodám vytápění zavěšenými sálavými panely patří, že ve vytápěném prostoru
nedochází k proudění vzduchu a není zviřován prach a vytápěcí zařízení je dokonale
bezhlučné. Nevýhodou jsou poměrně velké pořizovací náklady – o 50 % vyšší než při
vytápění teplovzdušném. Tyto náklady se ve většině případů uhradí během 2 až 4 roků
úsporami paliva.
12.2.2 Vytápění přímotopnými plynovými zářiči
Vytápění přímotopnými plynovými zářiči je jeden z nejvýhodnějších způsobů vytápění. Při
přímém spalování plynu ve vytápěném prostoru se odstraní tepelné ztráty ve zdroji tepla,
které činí 15 % pro vodu a až 20 % pro páru a ztráty ve venkovních rozvodech, které činí asi 5
%, je-li teplonosnou látkou voda a asi 10 % pro páru. V porovnání se zavěšenými sálavými
panely jednoznačně vyplývají výhody přímotopných zářičů s až 30 % zisku. Používají se
plynové zářiče světlé a tmavé.
Plynové zářiče světlé. U těchto zářičů je zdrojem sálání perforovaná keramická deska,
která se spalováním plynu zahřeje na teplotu 750 až 900 °C. Vzduch potřebný pro spalování
se nasává injektorem a směs vzduchu a plynu pak přichází do komory, jejíž jednu stěnu
vyplňuje keramická deska. Na vnějším povrchu desky se plyn spaluje. Povrch desky se tím
zahřívá do červeného žáru (obr. 12.3). Tyto zářiče je možné použít i ve velmi vysokých
halách (přes 20 m). Při vytápění nižších místností je nutno použít většího počtu menších
zářičů a zavěsit je ve výšce 4 až 5 m nad podlahou. V nízkých a úzkých místnostech je možné
zářiče zavěsit na stěnu ve skloněné poloze ve výšce od 2,5 m nad podlahou. Výkon zářičů lze
do jisté míry řídit přivíráním přívodu plynu.
Obr. 12.3 Schéma plynového zářiče světlého. 1 – keramická deska, 2 – komora zářiče, 3 –
injektor, 4 – přívod plynu, 5 – přívod vzduchu
Vhodné podmínky pro použití těchto zářičů jsou také při vytápění určitých částí místností a
ke zlepšení tepelného stavu na volném prostranství.
Plynové zářiče tmavé. Příkladem provedení zářičů tmavých jsou sálavé pásy ohřívané
horkým vzduchem s uzavřenou cirkulací (obr. 12.4). Pásy jsou vytvořeny z trubek velkých
44
průměrů (180 až 600 mm), které mohou být řazeny dvě až šest vedle sebe. Teplota povrchu
trubek se pohybuje v rozmezí od 150 do 350 °C. Zdrojem tepla pro ohřev otopného vzduchu
je přímotopný ohřívač vytápěný plynovým hořákem. Cirkulaci vzduchu zajišťuje ventilátor.
Potrubí sálavého systému může být také ohříváno směsí spalin a vzduchu.
Obr. 12.4 Tmavý zářič – tři paralelní sálavé trubky ohřívané vzduchem
Obr. 12.5 Tmavý plynový zářič s uzavřeným okruhem spalování
A/ s trubicí ve tvaru „U“, B/ s trubicí ve tvaru „I“
Dále se také používají tmavé plynové zářiče s uzavřeným okruhem spalování. Okruh je
tvořen přívodem venkovního vzduchu do hořákové komory, spalováním v uzavřeném
45
prostoru radiační trubice zářiče a podtlakovým odvodem spalin z radiační trubice ventilátorem
mimo vytápěný prostor (obr. 12.5).
13. HLUK
13.1 Hluk a vibrace a jejich hodnocení
Hluk je nežádoucím produktem civilizace a stává se závažným hygienickým faktorem,
který ovlivňuje lidské zdraví. V dnešní době působí na člověka běžně a dlouhodobě hluk, na
jehož intenzitu není přizpůsoben a člověk nemá proti působení hluku závažnější ochranné
funkce. Hluk je stále podceňován, protože většina jeho negativních účinků se neprojevuje
bezprostředně bolestí ani poruchou funkce.
Jako hluk označujeme každý zvuk, který působí na člověka nepříjemně, rušivě nebo
škodlivě. Zvuk je vjem sluchového orgánu, jehož příčinou je zvukové (akustické) vlnění.
Zvukové vlnění je mechanické vlnění pružného prostředí plynného, kapalného nebo pevného
(v plynném a kapalném prostředí je to podélné vlnění, v pevném prostředí vlnění příčné).
Zvukové vlnění budí zvukový vjem v lidském sluchovém orgánu, je-li jeho frekvence
v intervalu asi 16 Hz až 18 000 Hz. Zvukové vlnění o frekvenci nad 18 000 Hz se nazývá
ultrazvuk a o frekvenci nižší než 16 Hz infrazvuk.
Zvuk je tedy mechanické vlnění pružného prostředí, při němž jednotlivé částice prostředí
kmitají kolem své původní polohy a působí střídavé zhuštění a zředění, které se projevuje
střídavým vzrůstem a poklesem tlaku prostředí. Sluchový orgán vnímá právě tuto střídavou
složku tlaku, zatímco stálou složku (atmosférický tlak), daleko vyšší, nevnímá.
Vibrace (chvění) vznikají podobně jako hluk. Lidský organismus vnímá vibrace o
frekvencích od 0,2 Hz do 16 kHz.
Základní akustické veličiny jsou fyzikální veličiny, které popisují zvukové vlnění. Jsou to
především:
Akustická energie W [J]. Je to energie, která se přenáší do prostředí ze zdroje zvuku.
Akustický výkon zdroje P [W], tj. akustická energie vyzářená zdrojem za jednotku času.
Akustické výkony zdrojů hluku se pohybují přibližně v rozmezí od 1.10-8 W (šepot) do 104 W
(nadzvukové letadlo).
Akustický tlak p [Pa] - je nejsnáze měřitelnou veličinou v akustickém poli. Je to střídavá
složka tlaku vyvolaná zvukem, která způsobuje odchylky od tlaku barometrického. Používá se
efektivní tlak p = p max 2 . Nejnižší slyšitelný akustický tlak, nazývaný prahový (vztažný),
je po = 2.10-5 Pa. Nejvyšší pro lidský sluch ještě bez bolestivého pocitu snesitelný tlak je asi
60 Pa.
Intenzita zvuku I [W.m-2] – je akustický výkon procházející jednotkovou plochou kolmou
ke směru šíření zvukové vlny. Lidský sluch vnímá akustické intenzity v rozsahu od prahové
hodnoty Io = 10-12 W.m-2 až do hodnoty 10 W.m-2.
Hladiny. Lidský sluch je schopen vnímat akustické tlaky a akustické intenzity ve velkém
rozsahu. Bylo však zjištěno, že zvukový vjem nestoupá se vzrůstem akustického tlaku či
intenzity lineárně, ale že je úměrný logaritmu akustického tlaku nebo intenzity. Proto byly
zavedeny jako měřítka sluchového vjemu logaritmické (decibelové) stupnice, např. hladina
intenzity zvuku LI a hladina akustického tlaku L, které jsou definovány vztahy
LI = 10 log
I
[dB]
Io
(13.1)
46
L = 20 log
p
[dB]
po
(13.2)
Pro posouzení účinku vibrací se používá hladina zrychlení vibrací, která je určena vztahem
La = 20 log
a
[dB]
ao
(13.3)
kde ao = 10-6 m.s-2 a a je efektivní hodnota zrychlení v daném bodě v m.s-2.
Používají se jednak celkové hladiny, které se vztahují k celkovému vnímanému
kmitočtovému pásmu, dále hladiny v oktávovém pásmu, tj. hladiny v kmitočtovém pásmu
jedné oktávy a hladiny v třetinooktávovém pásmu, tj. v kmitočtovém pásmu třetiny oktávy.
Hladina akustického tlaku A, B, C. Snaha po co nejvěrnějším zachycení zvukového vjemu
měřicím přístrojem vedla k používání kmitočtově závislých filtrů označovaných A, B, C, které
upravují citlivost zvukoměru v souladu s kmitočtovými závislostmi sluchového orgánu, tj.
tlumí kmitočtové složky zejména pod 500 Hz a nad 8000 Hz. Hodnoty útlumu DL těchto filtrů
v závislosti na frekvenci f jsou uvedeny na obr. 13.1. Hladiny akustického tlaku LA, LB, LC se
opět vyjadřují v dB.
Obr. 13.1 Útlumové charakteristiky filtrů A, B, C.
Přípustné hodnoty hluku a vibrací. Nařízení vlády 502/2000 Sb. [14] a 88/2004 Sb. [15]
o ochraně zdraví před nepříznivými účinky hluku a vibrací stanovují maximální přípustné
hodnoty hluku a vibrací
- v pracovním a mimopracovním prostředí,
- ve stavbách pro bydlení,
- ve stavbách občanského vybavení,
- ve venkovním prostoru.
Přípustné hodnoty hluku se zde vyjadřují nejvyšší přípustnou ekvivalentní hladinou
akustického tlaku A LAeq v dB a nejvyšší přípustnou ekvivalentní hladinou akustického tlaku
A při časové charakteristice I LAieq v dB, která se používá pro hodnocení impulsního hluku.
47
Přípustné hodnoty vibrací se zde vyjadřují především váženou hladinou zrychlení vibrací
v třetinooktávových pásmech Lat v dB a váženou efektivní hodnotou zrychlení vibrací aew
v m.s-2.
13.2 Fyziologické účinky hluku
Hluk člověk vnímá prostřednictvím sluchového orgánu, částečně vedením kostmi a
povrchem těla. Účinky hluku na lidský organismus je možné rozdělit na :
- specifické – vyvolané přímým působením hluku na sluchový orgán,
- nespecifické – mimosluchové účinky hluku.
Specifické poškození zdraví hlukem se projevuje vznikem tzv. profesionální
nedoslýchavosti, která se může rozvinout až v praktickou hluchotu. Vzniká při opakovaně
působícím nadměrném hluku, kdy zpočátku dočasné zmenšení citlivosti sluchu se po jisté
době projeví nedoslýchavostí až hluchotou. Vady sluchu způsobené hlukem jsou neléčitelné.
Nespecifickým účinkem hluku jsou změny v psychice a nervovém systému. Hluk již od 50
dB negativně působí v tvůrčí, koncepční a řídící práci – zmenšuje přesnost výkonu,
soustředění, kombinační schopnosti. Hluk nad 65 dB ovlivňuje autonomní (vegetativní)
nervstvo, které ovládá srdečně cévní, dýchací, zažívací, hormonální, termoregulační aj.
systémy organismu. Projevuje se zvýšením krevního tlaku, žaludečními vředy, močovými
kameny, cukrovkou, agresivitou, závratěmi apod. Bylo zjištěno další zhoršení
neurovegetativních funkcí lidského organismu vlivem kombinovaného účinku hluku a vibrací.
Z fyziologického hlediska neexistuje adaptace na hlučné prostředí.
13.3 Zdroje a šíření hluku
Zdrojem hluku jsou zařízení a předměty nebo vymezené oblasti proudění, kde vzniká
akustická energie a od nichž se akustickými vlnami šíří do okolí. Akustické vlny se mohou od
zdroje šířit přímo prostřednictvím média, které zdroj obklopuje (převážně vzduchem), nebo
prostřednictvím spojovacích prvků, jimiž je zdroj připevněn do konstrukce. Ve druhém
případě se zvuk dále vede konstrukcí ve formě chvění a posléze, v některém místě konstrukce,
je vyzářen do vzduchu. Tak dochází často k vyzařování hluku v místech značně vzdálených
od zdroje.
Nejvíce nás zajímá šíření vzduchem, neboť takto zvuk dospívá k lidskému uchu. Šíří-li se
akustické vlnění ve volném prostoru, vytváří se tzv. volné pole, v němž jsou pouze přímé vlny
přicházející od zdroje hluku. V uzavřeném prostoru dospějí přímé vlny k jeho stěnám, od
nichž se odráží zpět. Tak vzniká akustické pole, v němž jsou vlny přímé i odražené.
Ve volném prostoru se vyzařovaná akustická energie se vzrůstající vzdáleností stále více
rozptyluje. V uzavřeném prostoru vzniká v určité vzdálenosti od zdroje (v dozvukové
vzdálenosti) tzv. difúzní zvukové pole, v němž se akustická energie šíří všemi směry stejnou
intenzitou a rozložení energii v prostoru je naprosto rovnoměrné.
13.4 Prostředky ke snižování hluku
Prostředky ke snižování hluku se volí především podle toho, zda člověk se pohybuje v poli
přímých vln, nebo v poli odražených vln.
V poli přímých vln, tj. v blízkosti zdroje hluku, jsou hlavními prostředky:
- snižování akustického výkonu zdroje (stroje či zařízení),
- umístění hlučných zdrojů, nebo jejich obsluhy do zvukově izolovaných místností.
Praktické zásahy snižující hluk zdrojů jsou:
- Konstrukční úpravy strojů vedoucí ke snížení zdrojů hluku (např. použití materiálu
s vyšším vnitřním tlumením, vymezení mechanických vůlí, použití vhodného mazacího
48
prostředku, vyvážení rotujících dílů, omezení možnosti vzniku turbulence a sirénového
hluku).
- Použití krytů a přepážek. V případě když není možné snížit hluk vznikající ve zdroji, lze
zdroj umístit do krytu nebo za stínící přepážku. Tyto se vyrábí se z tenkých plechů.
Vyšší útlum hluku se dosáhne při vnitřním obložení zvuk pohltivým materiálem.
- Použití tlumičů hluku. Slouží k omezení aerodynamického hluku. Pro pulzující proudění
v potrubí menších průměrů se používají reflexní tlumiče. Pro stroje dopravující velké
objemové toky (např. ventilátory) se používají absorpční tlumiče.
- Použití izolátorů chvění. Tyto zabraňují především šíření hluku vedeného konstrukcí.
Používají se při ukládání strojů na základové desky, při uchycování a napojování
potrubí, při izolování jednotlivých stavebních prvků apod.
- Použití materiálů omezujících vyzařování hluku z povrchu strojů a zařízení. Patří sem
např. zvuková izolace potrubí pro rozvod tlakového vzduchu a páry, omezení chvění
tenkých plechů nanesením antivibračního nátěru nebo třívrstvé konstrukce.
- Změna technologie nebo pracovního postupu. V mnoha případech je nadměrný hluk dán
pracovním principem (např. nýtování, ražení, setřásání nárazem). Zlepšení hlukových
poměrů je zde možné jen náhradou hlučné operace jinou technologií.
Umístění hlučných zdrojů nebo jejich obsluhy do zvukově izolovaných místností. Stěny
místností se konstruují dvojité s dostatečně širokou mezerou vyplněnou zvuk pohltivým
materiálem, obdobně se konstruují dveře. Okna se používají s trojitým zasklením. Místnost
musí být zcela uzavřená.
Tlumení hluku v poli odražených vln se provádí obložením stěn zvuk pohltivými
materiály, nebo zavěšením zvuk pohlcujících těles.
Základním typem zvuk pohlcujících materiálů jsou porézní materiály, které se používají
především jako obklad pro pohlcování středních a vysokých kmitočtů. Jsou to materiály
pórovité (molitan) nebo vláknité (skelná vata, minerální vata). Druhou skupinou zvuk
pohlcujících materiálů jsou resonanční prvky (panely s kmitajícími membránami). Tyto
splňují požadavek širokopásmovosti. Materiály pohlcující zvuk se používají nejen pro snížení
hluku v prostoru, kde je umístěn zdroj, ale i pro snížení hluku v prostoru, do kterého hluk
proniká z vnějšího prostředí. Zvuk pohlcující tělesa jsou akustická tělesa ve tvaru desek, klínů
nebo konoidů, která se zavěšují do prostoru 0,5 až 1 m nad zdroj hluku.
49
LITERATURA
[1]
Janotková, E.: Technika prostředí. Ediční středisko VUT Brno, 1991
[2]
Chyský, J. – Hemzal, K. a kol.: Větrání a klimatizace. Technický průvodce č. 31. Bolit –
Bpress Brno, 1993
[3]
Brož, K.: Vytápění. Vydavatelství ČVUT, Praha 1994
[4]
Bašta, J.: Otopné plochy. Vydavatelství ČVUT, Praha 2001
[5]
Lázňovský, M. – Kubín, M. – Fišer, P.: Vytápění rodinných domků. Nakladatelství T.
Malina, Praha 1996
[6]
Nový, R.: Hluk a chvění. Vydavatelství ČVUT, Praha 2000
Legislativní dokumenty a normy
[7]
ČSN EN ISO 7730 Ergonomie tepelného prostředí – Analytické stanovení a interpretace
tepelného komfortu pomocí výpočtu ukazatelů PMV a PPD a kritéria místního
komfortu: říjen 2006
[8]
ČSN 730548 Výpočet tepelné zátěže klimatizovaných prostorů: 1986
[9]
ČSN 060210 Výpočet tepelných ztrát při ústředním vytápění: 1994
[10] ČSN EN 12831 Tepelné soustavy v budovách – Výpočet tepelného výkonu: 2005
[11] ČSN 730540-4 Tepelná ochrana budov – Část 4: Výpočtové metody: 2005
[12] Nařízení vlády 178/2001 Sb., kterým se stanoví podmínky ochrany zdraví zaměstnanců
při práci
[13] Nařízení vlády 523/2002 Sb., kterým se mění Nařízení vlády 178/2001 Sb.
[14] Nařízení vlády 502/2000 Sb. o ochraně zdraví před nepříznivými účinky hluku a vibrací
[15] Nařízení vlády 88/2004 Sb., kterým se mění Nařízení vlády 502/2000 Sb.
50